CN102281771A - 用于体重管理和改善血糖控制的方法和组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于体重管理和血糖控制的方法、组合物及改良食物和食品。

Description

用于体重管理和改善血糖控制的方法和组合物
相关申请
本申请要求于2008年11月18日提交的美国临时专利申请No.61/115,759、于2009年2月11日提交的美国临时专利申请No.61/151,745和于2009年4月7日提交的美国临时专利申请No.61/167,291的权益。上述申请的全部内容以引用的方式并入本文。
发明领域
本发明属于预防和治疗肥胖症、体重和糖尿病的管理、以及包括肠道和心脏健康的公共卫生的领域。
发明背景
公共卫生方面的努力以及目前的抗肥胖药并未控制住肥胖症的流行。由于食物丰裕以及伴随人口从农村向城市环境的转移所造成的运动水平的下降，该疾病在工业化国家变得日益普遍。肥胖症被宽松地定义为：体脂肪超过了保持健康所需的人体脂肪。
肥胖症是过量的体脂肪累积到对健康产生负面影响的程度的健康状况(世界卫生组织(2000年)技术报告丛书，894：肥胖症的预防及控制全球流行病)。通常将肥胖症定义为“身体质量指数”(BMI＝体重除以身高的平方)为30kg/m2或以上。体重超重是显著的，其定义是BMI在25至29.9kg/m2之间(Obes Res.1998年9月；6增刊2：51S-209S。《成年人体重超重及肥胖症的鉴定、评估和治疗的临床指南—证据报告》，美国国家卫生研究院)。
过量的体重与各种疾病有关，特别是心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、阻塞性睡眠呼吸暂停、某些类型的癌症和骨关节炎(美国国家心脏、肺和血液研究院，《成年人体重超重及肥胖症的鉴定、评估和治疗的临床指南》NIH出版号98-4083，1998年9月，美国国家卫生研究院)。因此，已发现肥胖症会缩短期望寿命。肥胖症的主要治疗方法是节食和体育锻炼。如果节食和体育锻炼的方法失败，那么在严重情况下建议服用抗肥胖药和进行减肥手术(National Institute for Health and Clinical Excellence(英国国家卫生与临床优化研究院)，临床指南43：肥胖症：对成人及儿童体重超重和肥胖症的预防、鉴定、评估和管理，伦敦，2006年)。
肥胖症的发病机制是多因素的，包括：对摄食行为的控制、脂肪贮存的机制、能量摄入和消耗的因素、以及遗传和心理影响。同样，肥胖症的治疗通常也是多因素的。不幸的是，一般来说脂肪贮存和遗传影响的机制不易处置。此外，对摄食行为和心理影响的控制需要长期的处置。尽管能量摄入和消耗的部分是可处理的，但是许多肥胖个体抵制或无法参加显著增加他们能量消耗的运动。因此，控制能量摄入是一种用于治疗肥胖症的诱人方法。
采用具有大体积的低能量密度食物，导致单次进餐中总热量摄取的减小(Bell等人，Am J Clin Nutr，67：412-20，1998；Rolls等人；Am J Clin Nutr，70：448-455，1999)。考虑到成功地降低一次进餐中的热量摄取，已显示饮食中包含低能量密度食物的长期方法可增强长期体重减轻的效果(Ello-Martin等人，Am J Clin Nutr，85：1465-7，2007；Greene等人；Obesity，14：1795-1801，2006)。吃低能量食物通过占据胃容量而引起饱腹感的概念，有时被称为“体积饮食”，并且已有人写出了非技术性书籍来教导人们采用此方法(见Barbara Rolls，“体积进食计划”Harper Collins，2007)。体积饮食的弊端是食物选择范围有限，应而导致顺应性差。
作为抑制食欲方法的饱腹感感觉在本领域是熟知的，并且饱腹感与肥胖症治疗和影响体重减轻有关。例如，Acharya等人的美国专利5,336,486号中描述了通过用重的易消化蔬菜纤维填充胃而引起错误的饱腹感感觉。然而，食入大量的纤维需要患者排出大量的纤维，因而会导致胃肠不适。由于其它原因(如因结肠细菌对纤维的消化而导致肠胃胀气)，导致其他人无法耐受这种高体积的纤维。为了在相对较长的时间内减轻由容纳蔬菜纤维的饱胃所引起的不适，通过加入具有低热量的易消化食品而使以蔬菜纤维为主的食谱变得完善。Kratochvil的美国专利No 5,063,073、Christensen等人的美国专利No 5,654,028、和Grace等人的美国专利No 6,426,077、Wounderlich等人的美国专利No 5,405,616和6,103,269，描述了一种由明胶或胶原水解产物、一种或多种活性剂、和一种或多种辅料(即塑化剂、着嗅剂等)组成的材料。用于控制体重的低热量产品可以使用胶原生物聚合物如水溶性胶原、明胶或胶原水解产物而获得(见美国专利No5,100,688、5,211,976、5,219,599、5,665,234和5,665,419)。商品如由美国EYI-Essentially Yours Industries有限公司制造的“膳食补充剂-CA10RAD”已用于体重减轻控制并用作肌肉兴奋药，以及用于骨质疏松症和关节炎的治疗。
食物的弹性增加(G′)与饱腹感增强有关，因此可用于体重管理[LT.Norton，W.J.Frith和S.Ablett；液体凝胶、混合液体凝胶与饱腹感；FoodHydrocolloids；20卷，第2-3期，2006年3月-5月，第229-239页]。此项研究和其它研究显示，具有较高弹性响应的食物产生较高水平的饱腹感。相似地，粘度也与饱腹感有关；高粘度膳食与低粘度膳食相比，饱腹感和充实感较强。[Marciani，L.，Gowland，P.A.，Spiller，R.C，Manoj，P.，Moore，R.J.Young，P.& Fillery-Travis，A.J.(2001)；利用MRI对膳食粘度和营养素对饱腹感、胃内稀释和胃排空的影响的评价.AmericanJournal of Physiology Gastrointestinology and Liver Physiology，280：G1227-G1233]。此外，粘度增加与短期肠道激素反应有关，表明食物结构在调节餐后饱腹感相关的生理学中的重要性[Juvonen，K.R.等人，燕麦麸富集的饮料的粘度对健康人体中胃肠道激素反应的影响；Journal ofNutrition，第139卷，No.3，461-466，2009]。此外，饱腹感与胃排空速度有关，其中较高的粘度与较慢的胃排空速度和饱腹感增强有关[Hlebowicz，J.等人，商品早餐纤维谷类与玉米片对健康受试者餐后血糖、胃排空和饱腹感影响的比较：随机盲化交叉试验；Nutrition Journal 2007，6：22]。
最近数年内肥胖率稳定地增加。携带额外体重会增加发展成严重健康问题(如心脏病、中风、某些类型的癌症和糖尿病)的机会。在美国，Ⅱ型糖尿病发病率随肥胖症的增加而同时增加。美国糖尿病协会估计有约2100万人患有糖尿病，另外有5400万人被诊断患有前期糖尿病。前期糖尿病是空腹血糖水平升高但尚未升高到诊断为Ⅱ型糖尿病水平的状况。
Ⅱ型糖尿病与胰岛素抵抗有关。胰岛素是一种重要的激素，它将葡萄糖(糖)传输给我们的细胞。当一个人体重超重时，体内细胞对由胰岛所释放胰岛素的敏感性变低。有一些证据表明，脂肪细胞比肌肉细胞对胰岛素更具有抗性。如果人体内的脂肪细胞多于肌肉细胞，那么总体上讲胰岛素会变得不那么有效，葡萄糖仍然在血液中循环而不是作为能量被细胞摄入。
血糖控制是一个医学术语，其是针对患有糖尿病的人中的血糖(葡萄糖)的通常水平。许多证据表明，糖尿病的许多长期并发症(特别是微血管病变)是由多年高血糖症(血液中葡萄糖水平升高)所造成。从治疗“目标”的意义上讲，良好的血糖控制已成为糖尿病护理的重要目标，尽管最近的研究表明糖尿病并发症可能是由遗传因素造成[Tarnow，L；Groop；Hadjadj；Kazeem；Cambien；Marre；ForsB10m；Parving等人(2008)。“糖尿病并发症的遗传学的欧洲合理方法—EURAGEDIC：患者群和对策”；Nephrology，dialysis，transplantation(肾脏病学、透析、移植)23(1)：161-8]；或者在1型糖尿病中，通过延伸自身免疫性疾病的作用首先引起胰腺丧失其胰岛素制造能力[Adams，D.D.(2008).“作为糖尿病性视网膜病原因的周细胞的自身免疫破坏”；Clinical ophthalmology 2(2)：295-8]。
“完善的血糖控制”意味着糖尿病水平一直是正常的(70～130mg/dl、或者3.9～7.2mmol/L)并且与不患糖尿病的人难以区分。实际上，由于治疗措施的缺陷，甚至在大部分时间内血糖水平的平均值略高于正常值也被描述成“良好的血糖控制”。此外，对于2型糖尿病的一项调查发现，为控制血糖所进行的高强度干预对生活质量的危害与由中等程度糖尿病并发症所造成的危害同样严重[Huang，ES；Brown；Ewigman；Foley；Meltzer(2007).“患者对糖尿病相关并发症和治疗的生活质量的认知”；Diabetes care 30(10)：2478-83]。
现已有数种控制碳水化合物吸收(特别是餐后)的尝试。新出现的资料表明，餐后血糖水平的调节在总体血糖控制中发挥了重要作用。在II型糖尿病形成的早期，响应于食物摄取的胰岛素的最初突释受到损害，从而能够发展成餐后高血糖症。与膳食相关的高血糖症进一步造成胰岛素抵抗的增加和胰岛素生成的减小。高餐后血糖水平与发生血管并发症之间为强相关的证据，强调了治疗进餐时间血糖症的重要性。
一种测定碳水化合物吸收率的方法是利用“血糖指数等级”来确定[http://www.glycemicindex.com/]。Heaton等人已报道血糖指数是由小麦、玉米和燕麦的粒径差异控制(例如，Heaton K W，Marcus S N，Emmett P M，Bolton C H：小麦、玉米和燕麦试验餐的粒径：对血浆葡萄糖和胰岛素反应以及体外淀粉消化速率的作用，Am.J.Clin.Nutr.，第47卷，675-682(1988))。此外，已知食物的血糖指数取决于其给予形态。例如，煮熟的大米的血糖指数低于粉末化的大米；完整苹果的血糖指数低于苹果泥(例如参见，Kunihiro Doi和Keisuke Tsuji编辑，Shokumotsu Sen-i(膳食纤维)，412-420(Asakura-shoten，东京，1997年))。此外，还已知使用具有凝胶形成能力的多糖类(如瓜尔胶、果胶、或葡甘露聚糖)的方法。这些方法是用于降低餐后糖尿病水平及改善血糖控制的方法。如果在食物中使用某些多糖类，则由于凝胶形成而延长葡萄糖的胃内滞留时间(例如参见“Kagaku toSeibutsu(化学与生物学)”第18卷，95～105，1980)。
美国专利No.7,601,705及其中的参考文献公开了用于减弱餐后血糖反应的受控的粘度纤维系统，该系统包含中性水溶性纤维源(如瓜尔胶、果胶、槐豆胶、甲基纤维素、和轻度水解的淀粉)。该发明还描述了一种在不引起典型负面感官问题或物理稳定性问题的情况下将水溶性纤维加入到液体食品中的方法。该发明还涉及一种通过提供降低的粘度纤维系统而引起充实感和饱腹感的方法。
美国专利No.5,776,887公开了一种具有受控的碳水化合物吸收的营养食品。美国专利No.5,776,887中所公开的产品包含蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维和二糖类。美国专利No.5,695,803公开了改善食物的胰岛素反应的含有酸处理淀粉类的营养产品。
在文献中可以充分了解水和含水介质(包括人体分泌的体液)的吸收性材料。这些材料通常是以聚合物为主，并且是以粉末、颗粒、微粒、纤维或薄膜的形式而制备。当与含水介质接触时，这些可食用聚合物水凝胶在不溶解的情况下将液相吸收到其结构中而发生溶胀。当溶胀达到平衡时形成的凝胶通常称为“水凝胶”。将能够吸收超过其总重量95％的水的水凝胶定义为“超强吸水材料”(SAP)。
Chen Jun等人在“超孔水凝胶复合物的胃滞留性能”J.ControlledRelease，64，39-51，2000，以及在美国专利No.6,018,033以及Park K.等人在美国专利No.5,750,585和美国专利No.6,271,278中公开了通过在AcDi-Sol
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(小的交联多糖类)存在下使丙烯酸、丙烯酰胺、3-磺酸丙基丙烯酸钾盐和N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的混合物发生接枝和交联而获得水凝胶，该水凝胶可在口服后在胃中发生溶胀并且可以用作饮食控制中的辅助剂。Burnett D.R.等人在WO2004/056343A1中公开了一种用于短暂且非侵袭性地减小胃容量的可摄取配方，其包含能够在胃中保持某一时段接着在进入小肠时被快速降解的聚合物配方。其他人也公开了利用聚合物占据胃容量以引起饱腹感的概念(例如，参见美国专利申请公开No 20050245957和20060142794；以及PCT公布申请No WO 2006/047882和WO2006/070337)。
其它非生物降解聚合物可在胃内发生溶胀并且起胃填充物的作用。但是，因为这些聚合物是不可降解的，所以会增加发生嵌塞的危险性，嵌塞的定义是在直肠或乙状结肠中存在油灰状或硬化的粪便(中度毒血症的症状、缺乏粪便运动和变形)。在某些情况下，聚合物可以起轻泻药的作用(另一个不合需要的作用)。轻泻剂(或泻剂)是被服用以引起肠蠕动或者使粪便变松的食物、化合物或药物，最常用来治疗便秘。某些类型的轻泻药是填充剂，其产生体积更大的粪便并且保持更多的水份。另外，这些轻泻药可形成润滑的凝胶，使得肠蠕动更易于沿胃肠道系统推动粪便。这些填充剂包括膳食纤维和合成水凝胶(如聚丙烯酸类，包括聚卡波菲钙(calciumpolycarbophyl)(如Noveon AA-1 CA-1或者CA-2，Lubrizol，OH)。含有此类型聚合物的一些产品是：EqualactinTM、FiberConTM、Fiber-LaxTM、FiberNormTM、KonsylTM、MitrolanTM；每次给药这些产品的推荐剂量约为1-1.5g。其它产品包含类似的不可降解的聚合物，如交联聚丙烯酸水凝胶均聚物(如Carbopol 971P、71G、974P、Lubrizol，OH)。
天然非消化纤维和合成水凝胶均可吸收水，由于其膨化效应且在胃肠道中不降解而起胃填充物的作用。
把气球插入鼠的小肠并对其进行充气导致液体摄取的减少，但当气球膨胀经过某个点时似乎会引起痛苦的反应(Bardos，Behav Neurosci.，111：834-844，1997)。同样，把气球插入小肠会被大鼠消极地感知，正如味觉厌恶范例中所示(Bardos，Physiol Behav.，74：407-413，2001)。在人体中使用气球将会是高度侵袭性的，并且难以插入和维持。此外，插入的气球将导致对小肠的连续刺激，从而产生适应及疼痛，这并不与由食物自然引起的偶然刺激一起发生。
发明概述
本发明提供用于增加饱腹感、减少食物摄取量及改善血糖控制的组合物、食物和方法。在一个实施方案中，本发明提供可食用聚合物水凝胶，其在胃和小肠中发生溶胀，从而通过机械刺激和/或增加粘度而提供或增加饱腹感。
在一个实施方案中，本发明提供在小肠中但不是在胃中发生溶胀的可食用聚合物水凝胶配方。
在一个实施方案中，该可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀、塌陷并进入小肠，在小肠中发生溶胀并在结肠中被降解。
在一个实施方案中，本发明提供在受试者中引起体重减轻、维持体重，或者增强或提供血糖控制的方法；该方法包括在进食前或在进食时给受试者口服施用在胃和/或小肠中发生溶胀的可食用聚合物水凝胶的步骤。优选地，以足以减慢碳水化合物和脂肪在小肠中的胃排空和吸收的量，施用可食用聚合物水凝胶。
在一个实施方案中，本发明提供包含可食用聚合物水凝胶并具有低于常规或未改良食物的能量密度的改良食物和食品。
在一个实施方案中，本发明提供包含可食用聚合物水凝胶的食物，其中可食用聚合物水凝胶在食物中发生溶胀。在此实施方案中，在制备食物期间以溶胀状态将可食用聚合物水凝胶作为成分而加入，或者在制备食物期间以脱水状态加入可食用聚合物水凝胶然后发生溶胀。在另一个实施方案中，在制备食物期间形成可食用聚合物水凝胶。在此实施方案中，在制备食物期间将可食用聚合物水凝胶的聚合物和交联剂成分加入到食物的一种或多种其它成分中，从而导致可食用聚合物水凝胶的形成。
在一个实施方案中，本发明提供包含可食用聚合物水凝胶的食物，其中可食用聚合物水凝胶以脱水状态存在于食物中。在此实施方案中，可食用聚合物水凝胶在摄入后在胃和/或小肠中发生溶胀。
在一个实施方案中，本发明提供制备包含可食用聚合物水凝胶的食物或食品的方法，包括：在一种或多种其它成分存在下使聚合物与交联剂接触，由此形成包含可食用聚合物水凝胶的食物或食品。
在一个实施方案中，本发明提供用防潮层进行包衣的可食用聚合物水凝胶。防潮层可以含有例如蛋白质、脂肪、糖或其组合。优选地，该可食用聚合物水凝胶呈颗粒的形式，并且用防潮层将颗粒包衣。
在一个实施方案中，本发明提供用肠溶包衣进行包衣的可食用聚合物水凝胶组合物。该可食用聚合物水凝胶优选地以脱水状态存在于组合物中，肠溶包衣足以抑制可食用聚合物水凝胶在胃中的溶胀。然后，肠溶包衣在小肠中的降解导致可食用聚合物水凝胶在小肠中溶胀。
在一个实施方案中，本发明提供包含阴离子可食用聚合物水凝胶和pH降低剂的食物或饮料。优选地，pH降低剂能够将食物或饮料的pH值降低至抑制或延缓可食用聚合物水凝胶发生溶胀的pH值。
在一个实施方案中，本发明提供包含可食用聚合物水凝胶和气泡或者一种或多种引起泡腾的制剂的饮料。优选地，泡腾能够抑制或延缓可食用聚合物水凝胶的溶胀。
在一个实施方案中，本发明提供呈可用于烹调的形式的可食用聚合物水凝胶。
附图简述
图1是一种饮料的示意图，该饮料能够持久地将水和矿物质提供给小肠，从而延长水合反应。
图2是本发明的饮料的示意图，图中显示如何使在盖下面的容器破裂从而在可食用聚合物水凝胶开始溶胀的位置将可食用聚合物水凝胶释放入液体。
图3是本发明的包含经包衣的干凝胶颗粒的饮料的示意图。
图4是对柠檬酸交联的羧甲基纤维素与某些食物纤维的粘度加以比较的图。
图5是对柠檬酸交联的羧甲基纤维素与瓜尔胶和洋车前草的粘度加以比较的图。
图6是对柠檬酸交联的羧甲基纤维素与某些食物纤维的弹性响应进行比较的图。
图7是对大鼠中的柠檬酸交联的羧甲基纤维素的研究总结。
图8是说明柠檬酸交联的羧甲基纤维素对大鼠食物摄取的影响的图。
图9是显示当可食用聚合物水凝胶经过胃肠道时发生溶胀和塌陷的图。
发明详述
本发明涉及为了管理体重和体形以及预防或治疗体重超重或肥胖症而增加饱腹感和降低热量摄取的方法。在某些实施方案中，本发明还涉及用于改善血糖控制从而降低发展成胰岛素抵抗和糖尿病的危险性的方法。本发明进一步提供可用于本发明方法的食物和食品。
本发明的一个方面涉及延长胃排空时间、增加粘度以及胃和/或小肠内容物的弹性响应的方法。
本发明的另一个方面涉及使用可食用聚合物水凝胶来制造食物或饮料的方法。本发明还涉及采用这些方法所制备的食物和饮料。
本发明的一个方面涉及在受试者中治疗体重超重、治疗肥胖症或保持体重的方法。在另一个实施方案中，本发明提供一种增强受试者血糖控制的方法。这些方法包括给受试者口服施用有效量的可食用聚合物水凝胶的步骤，其中可食用聚合物水凝胶在受试者的胃和/或小肠中发生溶胀，从而在不增加食物团能量含量的情况下增大受试者胃和/或小肠中食物团的体积。优选地，在进食前施用水凝胶、或者与进食一起施用水凝胶。在某些实施方案中，受试者是灵长类动物、牛科动物、绵羊科动物、马科动物、猪科动物、鸟类、啮齿动物、猫科动物或犬科动物。在优选的实施方案中，受试者是人。
本文中使用的术语“食物团(food bolus)”是指在食物摄取后存在于消化道的一个区域(例如口腔、胃、小肠或结肠)中的经咀嚼和/或经部分消化的食物块。接受治疗的受试者可能需要体重控制和/或体形控制，并且BMI小于25。接受治疗的受试者可能需要体重减轻或体重维持。受试者可以是体重超重的(BMI为25至30)或者肥胖的(BMI大于30)。受试者也可以属于正常体重(BMI小于25)但有体重增加的可能性。受试者也可能需要血糖控制。该受试者可以是体重超重的、肥胖的或正常体重或低于正常体重(BMI小于25)。受试者可以患有糖尿病或前期糖尿病。受试者也可以有形成糖尿病(特别是Ⅱ型糖尿病)的可能性。例如，受试者可以患有胰岛素抵抗或代谢综合症。所述方法可以用于预防、抑制或延缓胰岛素抵抗、代谢综合症或糖尿病的形成。
在另一个实施方案中，本发明提供在受试者中降低胆固醇并降低发生结肠癌的危险性的方法。这些方法包括给需要这种治疗的受试者口服施用有效量的包含交联纤维素聚合物的可食用聚合物水凝胶的步骤。在口服施用后，可食用聚合物水凝胶从受试者的胃经过小肠进入结肠，在结肠中发酵产生短链脂肪酸，已显示短链脂肪酸通过降低结肠的pH值而降低结肠癌的危险性并且导致血清胆固醇水平下降(Samelson SL等人，J R Soc Med1985；78：230-233)。受试者可以有患结肠癌或心脏病的可能性。例如，受试者可以具有结肠癌的家族史、或者增加结肠癌危险性的环境暴露或基因。
在某些实施方案中，用于本发明方法的可食用聚合物水凝胶在施用后在胃内发生溶胀。在摄入食物的存在下，可食用聚合物水凝胶当其吸收水或胃液和/或与胃中的食物混合时，会在不大幅增加食物团能量含量的情况下导致食物团体积增大。在上述实施方案中，食物团的尺寸增加将导致饱腹感以及热量摄取减少。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃中保持一段时间的溶胀，然后缩小、降解和/或塌陷。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀，由此减慢胃排空，从而增加有限热量膳食的饱腹感效果。
在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶在施用后在小肠中而不是在胃中发生溶胀。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶在小肠中发生溶胀。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶在小肠中发生溶胀，由此占据体积并且/或者对小肠壁施加压力。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶取代了小肠中的液体体积，从而改善血糖控制和饱腹感并且减少热量摄取。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶向小肠壁施加压力，从而导致饱腹感和热量摄取的减少。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶在小肠中保持溶胀达一段时间，然后发生缩小、降解和/或塌陷。优选地，可食用聚合物水凝胶在结肠中至少部分地降解。
在某些实施方案中，所述方法包括给受试者施用包含可食用聚合物水凝胶的组合物，水凝胶在胃中发生溶胀，在第一时段后发生塌陷，然后进入小肠，在小肠中再次溶胀，在第二时段后在小肠中发生塌陷。在另一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀，然后进入小肠，在小肠中水凝胶发生缩小、塌陷并且/或者至少部分地降解。在本发明的又一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀，经过小肠，在胃或小肠不发生塌陷。优选地，可食用聚合物水凝胶在结肠中至少部分地降解，优选地足以释放其吸收的大部分液体。
在某些实施方案中，本发明的方法包括给受试者施用含有可食用聚合物水凝胶的组合物，水凝胶在胃中发生溶胀，在第一时段后发生缩小，然后进入小肠，在小肠中再次溶胀，经过结肠，然后缩小、塌陷和/或降解。在一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶将在胃发生溶胀然后进入小肠，然后进入结肠并在结肠中发生塌陷、缩小和/或至少部分降解。在本发明的又一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶将在胃中发生溶胀，经过小肠并在胃或小肠中不塌陷，但将在结肠中发生降解、缩小或塌陷。
在优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶是可食用聚合物水凝胶，当其在胃肠道环境(例如在水、SGF/水(1∶8)或SIF)中溶胀时具有至少约为100Pa的弹性模量和至少20秒-1的粘度。
根据使用占据胃容量的胃气球(一种操作，在世界的一些地方是减轻体重的惯例)的数据表明，起效需要至少200毫升的体积、优选超过400毫升的体积。动物研究已显示，由于水凝胶在胃中溶胀所导致的食物摄取减少的量与服用材料的量之间是直接相关的。根据体内研究的数据，也显示食物摄取减少的量也受到可食用聚合物水凝胶在小肠中的溶胀量的影响，食物摄取的减少也是“体积驱使的”。
研究已显示，胃肠道内容物的粘度与饱腹感之间是直接相关的。优选地，材料具有与消化食物相似的流变性能，并且可在分泌而发挥功效前降解，但可减少不良事件的发生。对可降解聚合物的要求是重要的，因为非可降解聚合物在引起饱腹感所需的量(优选地，当溶胀时至少200毫升)时将引起不利和/或不希望的副作用(如腹泻、脱水和便秘)。因此，出于安全性和顺应性的原因，重要的是具有在胃肠道中发生降解的材料。优选地，可食用聚合物水凝胶在结肠中可至少部分降解而在胃或小肠中不降解。
因此，在又一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃或小肠中增大其体积。例如，可食用聚合物水凝胶在胃中吸收水和/或生理溶液并溶胀至至少50、100、200、300、400、600和800毫升的体积后引起饱腹感，而在其它实施方案中可食用聚合物水凝胶溶胀至约400毫升。施用的可食用聚合物水凝胶的量，取决于期望的溶胀量以及可食用聚合物水凝胶在胃中(即在胃液存在下)的溶胀程度。例如，为了获得体积为400mL的溶胀的可食用聚合物水凝胶，4g可食用聚合物水凝胶(在胃中溶胀100倍)是足够的。优选地，施用的可食用聚合物水凝胶在模拟胃液/水(1∶8)中溶胀至少约20、40、60、80、100、120、140倍或更多倍。
应当理解的是，除非另有说明，所列举的可食用聚合物水凝胶性能(如溶胀率、弹性模量和粘度)是指呈纯或纯化形式的可食用聚合物水凝胶，即在加入食物材料中或进行包衣前的水凝胶性能。
施用的可食用聚合物水凝胶的量，取决于期望的粘度以及可食用聚合物水凝胶在胃和小肠(即，在胃液或肠液存在下)中增粘所达到的程度。例如，为了获得高于10秒-1、优选高于50秒-1的食物团粘度，摄入的聚合物材料应当至少为食入的食物与液体总重量的0.5％重量。优选地，在胃液和肠液存在下，施用的可食用聚合物水凝胶使食物团粘度增加了二倍。优选地，可食用聚合物水凝胶使小肠中食物团的粘度充分增加至足以显著延迟对营养素的吸收。
优选地，在摄取后可食用聚合物水凝胶保持与经咀嚼或部分消化的食物相似的流变性(例如弹性模量，正如利用本领域熟知的方法例如视觉模拟评分法所测定的)，以增加饱腹感或减少食物摄取(例如至少达10％)。
在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶组合物降低所吸收碳水化合物和脂肪的峰值血流浓度，并且延长其吸收入血流中的时间。
在某些实施方案中，所述组合物包含仅在小肠中发生溶胀(即，在胃肠道(GI)的其它任何部分不发生溶胀)的可食用聚合物水凝胶。在某些实施方案中，将可食用聚合物水凝胶配制成使其仅暴露在小肠的pH环境(即，pH值约为6)中。例如，可以用肠溶材料对可食用聚合物水凝胶进行包衣，肠溶材料在胃的pH值下保持完好但在小肠的较高pH值下会被降解或消除。也可以用被小肠中的但不是胃中的酶酶法消除的材料，对可食用聚合物水凝胶进行包衣。
在某些实施方案中，所述组合物包含在小肠中发生溶胀从而导致胃排空减慢且饱腹感延长的可食用聚合物水凝胶。例如，将存在可食用聚合物水凝胶的情况与不存在可食用聚合物水凝胶的情况相比较，胃排空时间可延长20％至100％或更多。
在一个实施方案中，本发明涉及通过替换液体的体积和/或以非侵袭性方式(优选地不导致受试者明显疼痛或过分不适)产生作用于受试者小肠壁的压力来治疗肥胖症、引起体重减轻、和/或防止体重增加的方法。该方法包括给受试者口服施用在小肠中发生溶胀并增加小肠内容物粘度的可食用聚合物水凝胶的步骤。例如，可食用聚合物水凝胶可以增加小肠内容物中半固体与液体之间的比率。在此实施方案中，可食用聚合物水凝胶替换了一定体积的液体并且/或者引起作用于小肠壁的压力，从而直接地或者通过延长胃排空时间来引起饱腹感。
在一个实施方案中，本发明的方法包含给受试者施用导致回肠制动的本发明组合物(Maljaars PW，Peters HP，Mela DJ，Masclee AA.，Ileal brake：asensible food target for appetite cintrol，Physiol Behav.2008 Oct 20；95(3)：271-81)，因此释放引起饱腹感的激素和神经递质。这种激素和神经递质可以包括：胆囊收缩素(CCK)、瘦素、肥胖抑制素、nesfatin(饱欲调节剂)-1、以及可引起饱腹感的其它神经信号。
在一些实施方案中，可食用聚合物水凝胶产生对小肠壁的压力、增加小肠内容物的体积、或者同时发生这两种情况。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶通过稀释食物团内的食物而减少小肠内壁组织与食物颗粒间的接触，由此减慢营养素摄入血流。
在一个优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀接着被消化，接着移动入小肠，再移动至结肠并在其中被降解。优选地，可食用聚合物水凝胶在结肠中的降解释放出大量的其水容量，例如至少约70％、80％、90％或95％的水凝胶的水含量，由此维持受试者的体液平衡。
在一个更优选的实施方案，可食用聚合物水凝胶包含在胃液的pH值下基本无吸收性的交联离子聚合物。食物的摄取导致胃pH值快速增加，从而导致可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀。当食物被消化时，胃pH值下降，从而导致可食用聚合物水凝胶塌陷成可以转移入小肠的形态。在小肠的pH值下，可食用聚合物水凝胶再次溶胀，然后转移入结肠，在其中被降解，从而释放出至少约70％、80％、90％或95％的其水含量。
在一些实施方案中，可食用聚合物水凝胶具有大致类似于经咀嚼或部分消化的食物的流变性能。在一些实施方案中，在受试者的胃或小肠中可食用聚合物水凝胶与存在的食物团混合，从而在不相应地增加能量含量的情况下增加食物团的体积。优选地，可食用聚合物水凝胶基本上没有能量含量。
本发明的另一个方面涉及具有大致类似于纤维的流变性能的可食用聚合物水凝胶。在一些实施方案中，在受试者中所述组合物与存在的食物团混合，从而减慢胃的排空，延迟一些营养素在小肠中的吸收并降低血清胆固醇。例如，所述组合物可以降低血清胆固醇、降低心血管病的慢性病的危险性(Jacobs DR，Jr.，Meyer KA，Kushi LH，Folsom AR.Whole-grainintake may reduce the risk of ischemic heart death in postmenopausal women：the Iowa Women′s Health Study.Am J Clin Nutr.1998：68(2)：248-257；RimmEB，Ascherio A，Giovannucci E，Spiegelman D，Stampfer MJ，Willett WC。蔬菜、水果和谷类纤维摄取与男性中冠状动脉心脏病的危险性。JAMA.1996；275(6)：447-451；Keenan JM，Pins JJ，Frazel C，Moran A，TurnquistL。燕麦摄取降低轻度高血压或临界高血压患者的收缩压和舒张压：预试验.J Fam Pract.2002：51(4)：369)、结肠直肠癌(Track B，Lanza E，GreenwaldP.膳食纤维、蔬菜与结肠癌：critical review and meta-analyses of theepidemiologic evidence.J Natl Cancer Inst.1990；82(8)：650-661)、憩室病危险性的降低(相对常见的病态，其特征是在结肠中形成小口(憩室))(Korzenik JR.Case C10sed？Diverticulitis：epidemiology and fiber.J ClinGastroenterol.2006；40 Suppl 3：S112-116)。
在一些实施方案中，本发明组合物被通常生存于结肠中的细菌发酵，从而形成有利的短链脂肪酸(醋酸、丙酸和丁酸)(Kumar，C.M.等人.Modulatory effect of butyric acid-a product of Modulatory fiber fermentationin exprimentally induced diabetic rats，The Journal of NutritionalBiochemistry，Volume 13，Issue 9，522-527)。已显示这种短链脂肪酸可降低血清胆固醇水平、引起饱腹感并且防止发生结肠癌。
在前述方法中，可以在食入例如饭和点心之前服用可食用聚合物水凝胶，或者与食物一起服用。例如，可以在饭前1或2小时内服用可食用聚合物水凝胶，或者与进食同时服用。可以采用多种形态施用可食用聚合物水凝胶，例如粉剂、胶囊、片剂或扁囊剂，或者作为食物的或饮料的成分而服用。本文中对适合的剂型以及改良食物和饮料进行了描述。
食物和食品
本发明涉及改良食物和食品，包括用与相应的常规食物和食品相比具有较低能量密度的本发明改良食品所制备的食物。因此，当以与相应的常规食物相同的体积服用时，本发明改良食物可提供较少的热量同时产生与常规食物大致相似程度的饱腹感。因此，当与给定量的食物一起服用时，部分消化的改良食物在胃和小肠中的体积将增加并导致饱腹感增强。
本文中使用的术语“食物”是指可食用的可口的组合物，该组合物可以被摄入并且可呈煮熟或未煮熟的形式。食物包括：热的或冷的谷类，例如，燕麦片和玉米片；营养食物棒、烘焙食品、面条、糖浆、果泥、糖果、饮料、奶昔、加工肉、宠物食品、乳制品、冷冻食物(如冰淇淋、冷冻酸奶)；冷冻甜食(包括雪糕)；玉米粥(risotto)、意式调味饭(risotto)、鹰嘴豆泥(hummus)、蒸粗麦粉(couscous)等等。食物意图用于人、宠物和/或兽用，但优选地将改良食物用于人。
本文中使用的术语“食品”是指在食物制备中用作成分的材料或组合物。本文所述的可以改良的食品的实例包括：由谷物、谷类、淀粉质水果和蔬菜制成的食品。合适的实例包括面粉，如由小麦、大米、玉米、燕麦、马铃薯、高粱、小米、黑麦、小黑麦和大麦制成的面粉。其它面粉包括：粗粒小麦面粉、Atta面粉、荞麦面粉、木薯淀粉面粉、糙米面粉、糯米面粉、面条面粉、意大利面面粉(pasta flour)、栗子面粉、各种坚果面粉、鹰嘴豆面粉、豆类面粉、豌豆面粉、斯佩尔特面粉(spelt flour)和马铃薯淀粉面粉。可以改良的食品还包括：玉米淀粉、即食土豆泥、制备的用于烘焙食品的混合配料(包括面包面团、蛋糕混合配料、煎薄饼混合配料等等)。根据本发明的可以改良的其它食品包括：干小麦(bulgur)、藜麦(quinoa)、小黑麦、欧洲防风草、车前草、马铃薯、南瓜、小青南瓜(acorn squash)、冬南瓜(butternut squash)、西葫芦、青豌豆、玉米、山药、芋头、木薯、和面包果。用于本发明的优选食品是以碳水化合物为主的食品。
术语“改良”，正如本文中将该术语应用于食物和食品，是指包含可食用聚合物水凝胶作为成分或组分的食物或食品。可以对改良食物或食品与相应的“常规”或未改良的食物或食品(即，相应的不包含可食用聚合物水凝胶的食物或食品)进行比较。可食用聚合物水凝胶具有低于常规食物或食品的能量密度，因此减弱了改良食物或食品的能量含量。因此，本发明的改良食物和食品具有低于其常规对应物的能量密度。然而，可按与常规食物相同的体积食用，由此获得大致相似程度的饱腹感。此外，在某些实施方案中，食物中的可食用聚合物水凝胶是脱水的并且一旦接触胃或小肠的内容物则发生溶胀，由此引起相对于所吃入食物的体积而言更大的充实感。
在一个实施方案中，本发明涉及呈可用于烹调的形式的可食用聚合物水凝胶，如本文所述的那些。例如，可以对可食用聚合物水凝胶进行干燥和研磨，而制造颗粒、细粒或细粉。可食用聚合物水凝胶也可以呈脱水、溶胀或部分溶胀的状态、或者这些的组合而提供，并且呈任何形式(如粉剂、颗粒、细粒、凝胶和薄膜)。可以对可食用聚合物水凝胶进行包装(例如在气密性容器或袋中)后供销售和使用，并且任选地与说明书一起进行包装后供烹调用。在一个实施方案中，使用说明书包括使用该可食用聚合物水凝胶的配方。
本发明的改良食物和食品优选地包含碳水化合物成分(如易消化的碳水化合物成分)。优选地，在这种改良食物和食品中，可食用聚合物水凝胶代替至少一种碳水化合物成分的至少一部分。特别优选的是，可食用聚合物水凝胶代替常规食物或食品中的至少一部分易消化的碳水化合物。因此，在此实施方案中，与相应的常规食物或食品相比，改良食物或食品中易消化的碳水化合物的含量降低。
在一个实施方案中，该改良食物包含溶胀或水合的可食用聚合物水凝胶。在此实施方案中，在食物制备期间以溶胀状态将可食用聚合物水凝胶作为成分加入，或者以脱水状态或部分溶胀状态加入然后在食物制备期间发生溶胀。在一个实施方案中，在食物制备期间形成可食用的聚合物水凝胶。在此实施方案中，在食物制备期间将可食用聚合物水凝胶的聚合物和交联剂成分加入到食物的一种或多种其它成分中，从而在制备过程中(例如烹调时)形成可食用聚合物水凝胶。
在一个实施方案中，本发明提供包含可食用聚合物水凝胶的食物，其中可食用聚合物水凝胶是以脱水状态存在于食物中。在此实施方案中，可食用聚合物水凝胶在摄取后在胃和/或小肠中发生溶胀。任选地用防潮层对脱水的可食用聚合物水凝胶进行包衣，以防止或抑制水凝胶在食物制备和/或存放期间吸收湿气。在一个实施方案中，本发明提供一种制备包含可食用聚合物水凝胶的食物或食品的方法，该方法包括：在一种或多种其它成分存在下，使聚合物与交联剂接触，由此形成包含可食用聚合物水凝胶的食物或食品。
在一个实施方案中，本发明提供可用于制备本发明改良食物的食品，该食品包含可食用聚合物水凝胶。例如，可以将可食用聚合物水凝胶干燥并研磨至细粒径再加入到面粉中(例如任何上述面粉)，以产生改良面粉。可食用聚合物水凝胶也可以以其它形式(包括颗粒、细粒和薄膜)加入到面粉中。可食用聚合物水凝胶在改良面粉中的量可以变化，但通常在5至55重量％的范围内。可以把改良面粉与使用说明书包装在一起。使用说明书可以包括用于制备改良食物的配方。本发明的改良面粉可用于包装的烘焙食品的混合配料(如蛋糕粉、面包混合配料、饼干混合配料和煎薄饼混合配料)以及包装的面团(如面包面团和饼干面团)。或者，可以通过以减小的量(例如比常规食物混合配料少约5％至约55％)将常规面粉加入到其它成分中来制备改良的混合配料和面团，并且建立与研磨的或薄膜化的可食用聚合物水凝胶的平衡。
可以使用本发明的改良面粉、混合配料和面团来制备使用面粉的任何食品，包括烘焙食品，如面包、蛋糕、松饼、面粉糕饼、早餐谷类、意大利面、布丁和肉汁。或者，可以通过减少相应的常规食物中所使用面粉的量来制备这种改良食物，并且建立与可食用聚合物水凝胶(以脱水、溶胀或部分溶胀的状态或者这些状态的组合以及以诸如粉剂、颗粒、细粒、薄膜等的任何形式存在)的差异。
本发明进一步提供包含可食用聚合物水凝胶作为成分的改良食物。优选的改良食物包括具有碳水化合物基质的食物，包括由谷物、谷类和/或淀粉质蔬菜制备的食物。在一个实施方案中，相对于相应的常规食物，可食用聚合物水凝胶代替至少一部分(例如约5％至约55％、5％至40％、5％至30％、5％至20％、或者5％至10％)的碳水化合物含量。具有碳水化合物基质的改良食物包括：烘焙食品、面包、饼干、薄脆饼干(cracker)、意大利面、谷类(包括热和冷的早餐谷类)、以马铃薯为主的食物(包括土豆泥和油炸马铃薯)、营养食物棒、营养补充剂、饮料(包括营养饮料和奶昔)。
本发明还提供用于制造改良食物或食品的方法。
该方法包括：用可食用聚合物水凝胶来代替食物或食品的至少一部分碳水化合物含量，由此形成改良食物或食品。碳水化合物含量的部分可以通过从食物或食品中或者从用于制备食物或食品的一种或多种成分中除去该部分并且用可食用聚合物水凝胶来代替，优选地以与所除去部分体积大致相同的体积来代替。例如，可以使用本发明改良面粉或者通过用食用聚合物水凝胶代替常规面包配方中的至少一部分面粉来制备改良面包。
在一个实施方案中，本发明的改良食物是宠物食物，例如用于狗或猫或者其它哺乳动物宠物的食物。宠物食物可以是呈块或颗粒形式的包含可食用聚合物水凝胶作为成分的干宠物饲料。在另一个实施方案中，将干宠物食物与水合形式或脱水形式的可食用聚合物水凝胶的颗粒混合。在另一个实施方案中，宠物食物是包含可食用聚合物水凝胶的湿食物(如灌装宠物食品)。本发明还提供呈水合或脱水形式的可食用聚合物水凝胶，其适于与宠物食品混合。例如，湿宠物食品与可食用聚合物水凝胶的混合，可在不大幅增加热量值的情况下增加食物的体积。
在一个实施方案中，本发明的改良食物以可溶性和/或不可溶性纤维、碳水化合物、蛋白质、维生素、矿物质和/或健康脂肪的形式提供显著的营养利益。优选地，改良食物也是可口的，并且具有促进食欲的味道和质地。
在一个实施方案中，所述改良食物提供用来代替膳食或点心的便利的赋形剂，该赋形剂意图供希望减重的人使用。虽然消费者表示对更健康并且帮助其控制体形和体重及达到其它健康目的的点心和其它食物的喜好，但是他们表示出很少意向要牺牲其喜爱食物或点心的感官特性。因此，优选的发明改良食物应是可口的。
在一个实施方案中，本发明的改良食物是营养食物棒。本发明的改良食物棒代表对常规食物棒的改良。
除了可食用聚合物水凝胶外，本发明的改良食物(如营养食物棒)还可以含有多种食物成分。这种食物成分包括碳水化合物、纤维、蛋白质、脂肪和油、甜味剂和调味料、以及维生素和矿物质。
在一个实施方案中，改良食物是热或冷的谷类或营养食物棒。谷类可以是冷的谷类(包括小麦、玉米、燕麦、小肠大米)或者其它细粒(如玉米片)以及本领域已知的其它谷类。谷类也可以是热的谷类，包括小麦、玉米、燕麦、大米或其它谷物(如燕麦片)。
在其它实施方案中，本发明的改良食物是乳制品，如酸奶或奶酪(包括软质奶酪，如奶油奶酪、白软干酪(cottage cheese)和加工美国奶酪)。本发明的改良乳制品具有低于其常规对应物的能量密度，同时保留了常规食物的质地和/或感官特性。可以把可食用聚合物水凝胶加入到食物(如酸奶)中以提供香味和/或质地，例如代替水果块。可食用聚合物水凝胶可以在例如包含适当调味剂(如水果调味料)的水溶液中溶胀。
在另一个实施方案中，改良食物是甜点，如糖浆、布丁、慕斯、冰淇淋、冷冻酸奶或蛋奶冻(custard)。
本发明进一步提供制造本发明改良食物的方法。可以用常规方法和配方来制备该改良食物，但是加入可食用聚合物水凝胶作为额外的成分或者作为全部或部分的另一种成分的代用品。可食用聚合物水凝胶可以完全地混合于改良食物中，或者可以包含于所述组合物的非连续部分中，例如作为包衣、或者以颗粒或珠粒的状态。该食物可以是未经烹调的或者经烹调的(例如通过烘焙、油炸、烤焙或烘焙)。
在一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶是食物(如饼干或者巧克力块)组分中的成分。例如，可采用粉末的形式将可食用聚合物水凝胶加入到熔融巧克力中，然后冷却而形成包含可食用聚合物水凝胶的巧克力块或者包衣。
在另一个实施方案中，水凝胶是食物自身的组分之一。
在另一个实施方案中，通过烹调优选烘焙来制备改良食物(如食物棒或饼干)。在此方法中，制备包含可食用聚合物水凝胶和其它成分(如碳水化合物成分、脂肪或油、蛋白质成分和调味料)的面团或面糊。此面团可以形成单块饼干或食物棒，或者形成较大的形态并在烘焙之前或之后由其切出单块棒或饼干。在烘焙后，可任选地用常规包衣材料(如熔融包衣材料，包括熔融巧克力或香草精、坚果、格兰诺拉(granola))或者本领域熟知的其它包衣对棒或饼干进行包衣。
在另一个实施方案中，制造本发明改良食物的方法不包括烹调或加热。此方法的优点是避免对热敏感维生素和矿物质的破坏。另外，此方法中可减少能源需求和加工时间。该方法可以是间歇过程或者连续过程。在用于制备食物棒的一个实施方案中，该方法是连续的，其中首先将成分加以混合。可以通过混合将各成分合并，假设各成分包含意图保持完整的格兰诺拉块、饼干等等，混合过程基本上保持这些块的完整性。将合并的成分转移到常规的糖果型棒材挤出机(如Werner-Lahara棒材挤出机)的传送带和加料斗上，该挤出机具有相对的滚筒，迫使混合物经过模具而形成挤出物或核芯。优选地，在约在室温下进行挤出。优选的挤出形状是矩形棒，但是可以使用适当的挤出机模具制造点心棒领域中已知的其它形状棒(如圆柱形的、和半圆柱形的棒)。
使用适当的切割装置(如铡刀式切割机或金属线切割机)例如以常规方式将挤出物切割成单独的食物尺寸块。优选地将挤出物切割形成期望尺寸的食物棒。
本发明的制备食物棒或饼干的方法可以进一步包括对棒或饼干进行包衣的步骤，例如通过将其包裹、喷涂或浸泡在包衣材料(如熔融的包衣材料，例如熔融巧克力))中进行包衣。熔融包衣材料可以与包衣棒相同或不同。然后，将表面包衣冷却(优选利用在冷却隧道中冷却)以使包衣材料固化。可用常规方式将常规的装饰配料(topping)(如格兰诺拉或磨碎的坚果)盖在包衣产品上。
然后可以对改良食物(如营养棒或饼干)进行包装，优选地将其包装在常规的食品级箔层叠包装膜中。包装在箔层叠膜中可保留产品的含水量，并且防止可食用聚合物水凝胶吸收周围的湿气以及在摄取前的长期保存期间发生溶胀。可以采用常规方式用惰性气体(如氮气)吹扫包装的内部来降低包装中的氧气含量。
在一个实施方案中，本发明的改良食物具有低含水量(例如低于约10重量％)，但仍然是耐咀嚼的并且具有湿润口感。在一个实施方案中，该食物在非致冷条件下的储存稳定期为至少6至12个月。
可以通过用可食用聚合物水凝胶对谷类块(如片)进行包衣来制备本发明改良的热或冷的早餐谷类。可以将可食用聚合物水凝胶加入到谷类中作为不同的块，任选地将其与一种或多种其它食物成分(如坚果、糖等)混合。也可以将可食用聚合物水凝胶作为谷类的整体成分而加入，例如在烘焙的谷类中，在烘焙前加入到面团或面糊中。可以用防潮层对可食用聚合物水凝胶进行包衣、部分包衣、或者不包衣。
对于本发明的改良的热的谷类，可以将可食用聚合物水凝胶包覆在谷类块上，并且可以对可食用聚合物水凝胶进行脱水、部分溶胀或溶胀，从而产生更大的体积或减小的体积。
在一个实施方案中，本发明提供一种包含酸(如柠檬酸、抗坏血酸、琥珀酸、酒石酸、磷酸或磷酸二氢钾)和pH敏感性可食用聚合物水凝胶的饮料。优选地，饮料的pH值优选为4或以下，或者更优选在2.5与4之间。适合的可食用聚合物水凝胶包括含有多酸聚合物(如上所述的那些)的可食用聚合物水凝胶。这种可食用聚合物水凝胶在饮料的低pH值下将不会吸收大量的水，但在胃中将会吸收液体，特别在进食期间胃pH值增加时。例如可以用水果调味剂或水果汁对饮料进行调味。饮料也可以含有营养素例如维生素和矿物质、蛋白质、电解质和/或糖(如蔗糖或葡萄糖)。这种营养素可以由水果汁成分提供，或者以纯化的营养素或营养素混合物的形式提供。饮料可以包含其它调味剂(包括人工甜味剂)、以及天然和/或人工色素。本发明的饮料可以作为方便饮料而销售，或者以浓缩液或粉末状态(消费者向其中加入水)销售。
在一个实施方案中，本发明提供能够持久地向小肠提供水和矿物质(用于延长水合反应)的饮料。通过将溶胀的可食用聚合物水凝胶微球加入饮料中而获得此结果。可食用聚合物水凝胶与饮料一起摄入，并且一旦到达小肠则在浓度梯度下释放液体和盐。然后，可食用聚合物水凝胶与粪便一起排出。
为了提供此产品，对在脱水状态下加入的水凝胶颗粒或微球进行包装以防止液体进入，例如在瓶盖上(图1)。视情况，将水凝胶微球与添加剂(如意图口服施用的蛋白质、盐和/或分子)一起装入。在饮用前，使盖下的容器破裂，从而将可食用聚合物水凝胶释放入液相，在液相中开始溶胀(图2)。添加剂首先在液体团中开始释放，然后在胃肠道的整个通道释放。
贮存的可食用聚合物水凝胶的量是作为水合反应时间与盐和所期望的加入营养素的函数而变化。然而，对贮存在瓶中的可食用聚合物水凝胶的最大量进行调整，使得其不能吸收所有的液相，从而形成微珠混悬剂而不是块状凝胶。
此特定应用领域的第二种方法包括使用饮料或其它液体、半液体或冷冻食物作为可食用聚合物水凝胶材料的载体，从而产生填充剂效应(图3)。适合的食物包括乳制品(如酸奶、冰淇淋、冷冻酸奶、冷冻蛋奶冻、和汤)；为达到此目的，用蛋白质或大分子膜或其它适合的保护性防潮层对干燥形式的可食用聚合物水凝胶进行包衣；包衣不溶于水或水溶液，因此可防止在摄取前水凝胶在液体中发生溶胀。一旦可食用聚合物水凝胶到达胃，包衣即溶解或被消化并且可食用聚合物水凝胶开始溶胀，因而增加存在于胃中的液体的粘度。此外，借助于此包衣保护，可以摄取大量的材料而不必吞下大量的干凝胶填充胶囊。
可食用聚合物水凝胶
本发明的可食用聚合物水凝胶是选自：均聚物、共聚物、聚合物共混物、交联聚合物、超大孔聚合物、互穿聚合物、高吸水性聚合物和聚合物复合物。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶是高吸水性的可食用聚合物水凝胶。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶具有与胃液或肠液混合的经咀嚼或磨碎食物相似的流变性能。
本文中使用的术语“可食用聚合物水凝胶”是能够吸收为干聚合物重量许多倍的水和水溶液的交联亲水性聚合物。术语“可食用聚合物水凝胶”是指交联聚合物的任何水合状态，从干燥的或“干凝胶”状态到完全水合的凝胶状态。所属领域技术人员将会理解，可食用聚合物水凝胶的期望水合状态取决于其预期用途。例如，在上述可食用聚合物水凝胶在口服后发生溶胀的方法中，以基本上脱水的状态(基本上保留了可食用聚合物水凝胶吸水能力的状态)施用可食用聚合物水凝胶。“脱水”的可食用聚合物水凝胶保持其至少约70％、80％、90％、95％、98％或99％或更多的吸收能力。脱水的可食用聚合物水凝胶的含水量例如通常小于25重量％、优选小于约10重量％、最优选约5重量％或以下。
本文中使用的术语“可食用聚合物水凝胶”是指处于任何水合状态的聚合物水凝胶，其是(1)通过将聚合物(如可食用聚合物)与交联剂(例如可食用交联剂)交联；和/或(2)将亲水聚合物与多元羧酸交联而制造。优选地，可食聚合物水凝胶由可食用材料制备，例如食品级材料、或者通常被美国食物与药物管理局定义为安全(“GRAS”)的材料，或者被欧盟定义的食品添加剂。可食用聚合物水凝胶是由可食用材料制成的，如果该材料是利用交联剂使食品级或GRAS聚合物发生交联而获得。优选地，可食用聚合物水凝胶在结肠中降解但在胃或小肠中不降解。可食用聚合物水凝胶具有可生物降解的交联、可生物降解的骨架，优选地具有两者。
“可食用聚合物”是具有生物可降解骨架的聚合物。
“可食用交联剂”是与聚合物形成生物可降解交联的交联剂，并且交联降解产物对于食用是安全的。
本文中使用的术语“生物可降解材料”是指在已接受口服施用的受试者的胃肠道内部分或完全降解的材料。这种降解是发生在材料停留于胃肠道中的时间内，优选发生在结肠内。优选地，降解的程度足以将至少70％、80％、90％或更多的可食用聚合物水凝胶中所吸收的液体释放入受试者的胃肠道或结肠。
在可食用聚合物水凝胶的合成中所使用的所有材料(例如溶剂)不必都是可食用的。然而，优选的是，任何这种非可食用材料基本上不存在于可食用的聚合物水凝胶中。例如，在使用前，应该将制备可食用聚合物水凝胶中所使用的任何不可食用的有机溶剂基本上除去。如本领域技术人员所知，某些低水平的残留的非材料是可接受的，这取决于其身份。
可发生交联而制造本发明所使用的可食用聚合物水凝胶的聚合物包括：多糖类和多糖类衍生物，如纤维素，包括烷基纤维素，如C1-C6-烷基纤维素(包括甲基纤维素、乙基纤维素和正丙基纤维素)；取代的烷基纤维素，包括羟基-C1-C6-烷基纤维素和羟基-C1-C6-烷基-C1-C6-烷基纤维素(如羟乙基纤维素、羟基正丙基纤维素、羟基正丁基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基羟乙基纤维素)、羧甲基纤维素和醋酸纤维素；淀粉类，如玉米淀粉、羟丙基淀粉和羧甲基淀粉；取代的葡聚糖，如硫酸葡聚糖、磷酸葡聚糖和二乙氨基葡聚糖；糖胺聚糖类，包括肝素、透明质酸、软骨素、硫酸软骨素和硫酸乙酰肝素；壳聚糖、海藻酸盐、角叉菜胶、果胶、透明质酸；β-葡聚糖和聚糖醛酸，如聚葡糖醛酸、聚甘露糖醛酸、聚半乳糖醛酸和聚阿糖酸。优选的聚合物是纤维素衍生物，特别是羧甲基纤维素。适合的交联剂包括柠檬酸、苹果酸和蛋白质(包括明胶和胶原)。也可以使聚合物直接发生交联，例如美国公开专利申请No.2008/0227944号中所述，其全部内容以引用的方式并入本文。从结构上讲，可食用聚合物水凝胶是二维或三维的大分子构型。它们是通过数种方法合成，包括但不限于：(a)由单体合成(交联聚合)；(b)由聚合物和聚合助剂合成(接枝聚合和交联聚合)；(c)由聚合物和非聚合助剂合成(交联聚合物)；(d)利用能源由聚合物合成(不使用助剂的交联聚合物)；以及(e)由聚合物合成(通过反应性聚合物-聚合物的相互连接发生交联)。合成中所采用的原料和技术是水凝胶关键性能及其用途范围的主要因素。
现有许多用于获得在药学和/或医学领域中有潜在应用的具有三维聚合物构型的高纯度水介质吸收性材料的方法：(a)化学方法：离子性和/或配位性相互复合(即，Widra的美国专利No.4,570,629和Band等人的美国专利No.5,153,174)；与具有带双键或环的反应性基团的低聚物或反应性聚合物发生交联(即，Franzblau等人的美国专利No.5,489,261以及Doillon等人的美国专利No.5,863,984)；利用放射线进行交联(即，Kuamz等人的美国专利No.RE33,997；Miyata的美国专利No.4,264,155；和Bell等人的美国专利No.5,948,429)；以及(b)物理方法：利用微波进行交联(即，Reichman等人的美国专利No.5,859,077和6,168,762)；冷冻干燥(即，Williams等人的美国专利No.5,676,967，和McGregor等人的美国专利No.5,869,080)；以及脱氢热交联(即，Berg等人的美国专利No.4,837,285；Akhtar等人的美国专利No.4,950,485；和Brodsky等人的美国专利No.4,971,954)。
在优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶是pH敏感性的，即，其液体容积是pH值的函数。这种可食用聚合物水凝胶包括由多碱或多酸的聚合物构成的水凝胶，包含多酸聚合物的可食用聚合物水凝胶在高pH值下比在低pH值下将显示更大的液体容积。当与食物的成分一起食用或者作为食物成分食用时，这种可食用聚合物水凝胶当在摄入食物后胃的pH值增加时将发生溶胀，然后在消化食物后胃pH值下降时至少部分地塌陷。在一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶在胃中充分地塌陷从而释放其至少50％的液体含量。一旦可食用的聚合物水凝胶发生塌陷，它将通过胃的清除机制被清除至小肠中。优选地，可食用聚合物水凝胶颗粒在胃中塌陷至尺寸小于2mm，从而使其能够通过幽门(位于胃与小肠连接处的括约肌)。由于上消化道的中性pH值，这种可食用聚合物水凝胶将在小肠中溶胀达足以显著减少对糖和脂肪的吸收的一段时间，因此在结肠中充分缩小以从身体排泄之前增加饱腹感和血糖控制。这种收缩可以例如通过可食用聚合物水凝胶因失去交联发生降解而发生，从而导致流体释放以及体积充分减少以从身体排泄。水在聚合物降解后的释放有助于预防腹泻和脱水。
在一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶包含与多元羧酸进行交联的亲水聚合物；在WO2009/021701和WO2009/022358中对此类型的可食用聚合物水凝胶进行了描述，这两篇专利的全部内容以引用的方式并入本文。在其它实施方案中，可食用聚合物水凝胶包含至少两种用多元羧酸交联的亲水性聚合物。在一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶包含离子聚合物、非离子聚合物和多元羧酸(优选C4至C12的二羧酸、三羧酸或四羧酸)，其中多元羧酸交联离子聚合物和非离子聚合物。离子聚合物与非离子聚合物的重量比优选为约1∶5至约5∶1、更优选约2∶1至约5∶1、最优选约3∶1。在一个优选的实施方案中，离子聚合物是羧甲基纤维素(CMC)，非离子聚合物是羟乙基纤维素，多元羧酸是柠檬酸。
在一个优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶包含离子聚合物，例如阴离子聚合物或阳离子聚合物。更优选地，离子聚合物是羧甲基纤维素或其盐(如羧甲基纤维素钠)。在特别优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶包含与柠檬酸交联的羧甲基纤维素。
在一个实施方案中，可食用聚合物水凝胶包含与蛋白质交联的如上所述的纤维素聚合物。在人胃肠道中有许多蛋白水解酶，蛋白水解酶将容易地消化蛋白质交联剂，并且可食用聚合物水凝胶网络将会分解，从而消除在胃肠道中发生嵌塞的危险。
蛋白质交联剂可以是天然存在的蛋白质(例如，胰岛素)、加工蛋白质(例如，明胶或胶原)或者合成的依序蛋白质(例如，聚赖氨酸或聚精氨酸)。优选的是在上胃肠道被消化的蛋白质。在胃肠道的这个区域有胰酶(包括蛋白水解酶、脂肪酶和淀粉酶)。
纤维素与蛋白质之间的交联可以是离子交联或共价交联。例如，可以通过用聚阳离子(如聚精氨酸或聚赖氨酸)处理羧甲基纤维素的水溶液而实现离子交联。共价交联可以通过将纤维素聚合物上的官能团与蛋白质上的官能团反应而实现。例如，可以通过激活蛋白质官能团而激活蛋白质发生交联反应。例如，可以对氨基酸(如赖氨酸或精氨酸)进行激活。活化蛋白质然后可以与纤维素聚合物反应以形成酯键或酰胺键，该键将形成纤维素和蛋白质的交联网络。为了使水凝胶分解，不需将这个酯键或酰胺键水解，类似于其它系统。更确切地讲，当蛋白质部分被酶消化时，水凝胶将分解。
可用于本发明产品和方法中的可食用聚合物水凝胶，优选地具有至少约为40的溶胀率。溶胀率(SR)是可食用聚合物水凝胶吸收水的能力的量度。SR是通过在平衡时的溶胀测量而获得(例如，使用灵敏度为10-5的Sartorius微型比例尺(Sartorius AG，Goettingen，德国))并且是通过下式进行计算：
SR＝(Ws-Wd)/Wd
其中，Ws是可食用聚合物水凝胶在蒸馏水(SGF/水＝1∶8或SIF)中浸泡1小时后的重量，Wd是浸泡前可食用聚合物水凝胶的重量，事先已对可食用聚合物水凝胶进行干燥而去除任何残留的水。除非另有说明，否则本文中使用的术语“溶胀率”是指在作为溶胀介质的蒸馏水中所进行的测量，并且是以如实施例32C中所描述的方法进行测定。
在优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶具有至少为约40、约50、约60、约70、约80、约90或约100的SR。例如，在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶具有约10至约100、约20至约100、约30至约100、约40至约100、约50至约100、约60至约100、约70至约100、约80至约100。或约90至约100的SR。在其它实施方案中，可食用聚合物水凝胶具有约40至约200、约40至约250、40至约300或者100至约500的SR。在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶具有高达150、200、250、300、400、500或更大的SR。本发明涵盖由本文所述的任何下限和上限所限制的所有SR范围。
在某些实施方案中，可食用聚合物水凝胶可以吸收至少是其干重约30、40、50、60、70、80、90、100、120或更多倍的肠液或胃液。可食用聚合物水凝胶吸收上述液体的能力可以利用常规方法(包括用获自一位或多位受试者的体液样品测试)进行测试，或者用模拟体液(如模拟胃液)进行测试。在某些优选的实施方案中，可食用聚合物水凝胶可以吸收显著量的模拟肠液或者将1体积模拟胃液(SGF)与8体积水混合而制成的液体。可以利用本领域熟知的USP试验液步骤来制备SGF和SIF。在一些实施方案中，本发明的可食用聚合物水凝胶可以吸收其干重至少约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120倍或更多倍的SGF/水(1∶8)和/或SIF。
材料的弹性模量是当向物体或物质施加力时该物体或物质发生弹性变形(即非永久性)的倾向的数学描述。除非另有说明，否则本文中使用的术语“弹性模量”是指在作为媒介物的蒸馏水中所进行的测量，是以实施例32A中所述的方法测定的。本文中使用的优选可食用聚合物水凝胶在蒸馏水中具有至少约100Pa、200Pa、300Pa、400Pa或更大的弹性模量(以实施例32A的方法测定)。
粘度是利用剪切应力或拉伸应力(在材料表面的平行方向或切面方向所施加的应力)发生变形的流体的阻力的量度。除非另有说明，否则术语材料(如可食用聚合物水凝胶)的“粘度”，是指利用实施例32B中的描述方案在蒸馏水中测定的值。优选地，本文中使用的可食用聚合物水凝胶具有至少约为15s-1、30s-1、50s-1或100s-1的粘度，如利用实施例32的方法测定的。在一个实施方案中，本发明中使用的可食用聚合物水凝胶具有大于40的溶胀率、至少200Pa的弹性模量和至少30s-1的粘度。
优选地，以颗粒或粉末的形式使用可食用聚合物水凝胶。可食用聚合物水凝胶颗粒具有多种尺寸，但其尺寸通常是在约1～1000μm的范围内。优选地，粒径将在约10～800μm、更优选约50～600μm的范围内。所属领域技术人员可以针对具体用途选择合适的粒径范围。
当溶胀时可食用聚合物水凝胶可以具有变化的流变性能，这取决于改良食物的性质。例如，在固体组合物(如食物棒或烘焙食品)中，溶胀的聚合物可以是坚硬的，以适应食物的流变性能。可以通过控制交联程度来调整可食用聚合物水凝胶的流变性能。例如，与轻度交联的水凝胶相比，高度交联的水凝胶将会更硬，并且其水吸收性通常也较低。因此，可以将可食用聚合物水凝胶设计成可提供期望的流变性能与期望的吸收性之间的平衡。
在一个实施方案中，在用于制备本发明的改良食物之前，用防潮层对脱水的可食用聚合物水凝胶进行包衣。因此，本发明提供用防潮层包衣的可食用聚合物水凝胶。无论是单独或者作为本发明改良食物的成分和/或与唾液接触后，该防潮层是不可渗透的或者防止或抑制储存后可食用聚合物水凝胶的水吸收和溶胀。已发现通过使用在两种成分之间的包衣层可以防止(至少抑制)复合食品中不同含水量的各成分之间的水运输。因为本发明可食用聚合物水凝胶是吸湿性的，所以理想的是对其进行包衣。
制药工业界已对包衣片防潮层的领域进行了广泛研究。例如，英国专利申请756082公开了，通过将湿度敏感的粉末成分与谷醇溶蛋白在醇中的溶液混合并然后将包衣粉末加工成片剂，可以降低湿度敏感性。
虫胶是食物的防潮层包衣的用途中常用的生物聚合物，经常与连同羟丙基纤维素一起使用(US 4,820,533)。虫胶与谷醇溶蛋白的组合也用于此目的(EP 0 090 559)。在专利申请WO95/23520中，公开了其中存在糖颗粒的冰淇淋组合物，糖颗粒被包封于乳脂层中。糖颗粒是非常小的(＞100μm)。由于存在乳脂层，因此可防止糖在冰淇淋中溶解。US2006/0286264中详细描述了利用具有特定的脂肪酸链长和固体含量甘油三酸酯对颗粒进行包衣。US2002/0146495中描述了用于形成食品防潮层的防潮层组合物(特别是用于烘焙用途)，该组合物包含可食用的低熔点油和可食用的高熔点脂肪。EP0471558中描述了由生物聚合物(如酪蛋白酸钠)和脂类形成防潮层。
其它用于食品的包衣没有“蜡”样的口感，其在室温下保持固体状态但在体温下则急剧地熔化，且可将其熔点范围控制在窄限度内。在一个实施方案中，包衣包含用于食品制备的一种或多种其它成分(如油类、蛋白质或脂肪)。
可以采用所有上述技术和本领域已知的其它技术对可食用聚合物水凝胶颗粒进行包衣，所利用的本领域已知技术例如喷涂包衣、颗粒化(喷雾冷凝)、流化床包衣、淘选(panning)、涂布、喷雾、喷流(spouting)、雾化、浸泡、涂刷和/或轴轧(rolling)。
可食用聚合物水凝胶的制备
在优选的实施方案中，本发明中使用的可食用聚合物水凝胶通过包括以下步骤的方法来制备：将含有亲水性聚合物的水溶液与多元羧酸交联，由此制造可食用聚合物水凝胶。在一些实施方案中，水溶液包含两种或更多种的亲水性聚合物。例如，水溶液可以包含第一亲水性聚合物和第二亲水性聚合物，它们可以以相同或不同的量(以重量计)存在。在优选的实施方案中，第一亲水性聚合物是离子聚合物，第二聚合物是非离子聚合物。
交联反应优选在高温(例如在高于室温(25℃)的温度)下进行。该反应可以在约30℃至约300℃或更高的温度、优选50℃至约140℃的温度下进行。在一个实施方案中，当在高温下进行交联反应时，通过去除水而浓缩反应液。例如，可以通过蒸发完成水的去除。在一个实施方案中，将一部分水去除。在另一个实施方案中，基本上将所有的水去除，由此制造干的残留物。或者，将反应混合物在高温下保持一段时间，接着除水至干。
本文中使用的术语“亲水聚合物”是指基本上是水溶性的聚合物，优选地包括羟基化的单体单元。亲水聚合物可以是均聚物(仅包括一种重复的单体单元)或者共聚物(包含两种或更多种不同的重复单体单元)。在优选的实施方案中，将亲水性聚合物羟基化，如聚烯丙醇、聚乙烯醇或多糖类。
可以使用的多糖类包括：烷基纤维素类，如C1-C6-烷基纤维素类，(包括甲基纤维素、乙基纤维素和正丙基纤维素)；取代的烷基纤维素类，包括羟基-C1-C6-烷基纤维素类和羟基-C1-C6-烷基-C1-C6-烷基纤维素类(如羟乙基纤维素、羟基正丙基纤维素、羟基正丁基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基羟乙基纤维素和羧甲基纤维素)；淀粉类，如玉米淀粉、羟丙基淀粉和羧甲基淀粉；取代的葡聚糖类，如硫酸葡聚糖、磷酸葡聚糖和二乙氨基葡聚糖；糖胺聚糖类，包括肝素、透明质酸、软骨素、硫酸软骨素和硫酸乙酰肝素；以及聚糖醛酸类，如聚葡糖醛酸、聚甘露糖醛酸、聚半乳糖醛酸和聚阿糖酸。
本文中使用的术语“离子聚合物”是指包含具有酸性官能团(如羧基、硫酸盐基、磺酸盐基、磷酸盐基或膦酸盐基)或碱性官能团(如氨基、取代氨基或胍基)的单体单元的聚合物。当在处于适当pH范围内的水溶液中时，含酸性官能团的离子聚合物将是聚阴离子，本文中将这种聚合物称为“阴离子聚合物”。同样，在处于适当pH范围内的水溶液中，含碱性官能团的离子聚合物将是聚阳离子。本文中将这种聚合物称为“阳离子聚合物”。本文中使用的术语离子聚合物、阴离子聚合物和阳离子聚合物”是指不携带酸性或碱性官能团的亲水聚合物，以及携带部分或全部酸性或碱性官能团以及适合反离子的聚合物。适当的离子聚合物包括：藻酸盐、硫酸葡聚糖、羧甲基纤维素、透明质酸、聚葡糖醛酸、聚甘露糖醛酸、聚半乳糖醛酸、聚阿糖酸；硫酸软骨素和磷酸葡聚糖。适合的阳离子聚合物包括壳聚糖和二甲氨基葡聚糖。优选的离子聚合物是羧甲基纤维素，其可以用酸的形式使用，或者以与适合阳离子(如钠、钾或钙离子)所形成的盐的形式使用。
本文中使用的术语“非离子聚合物”是指其中不含具有可离子化官能团(如酸性或碱性基团)的单体单元的亲水性聚合物。这种聚合物将不被加入到水溶液中。用于本方法的适合非离子聚合物的实例是：聚烯丙醇、聚乙烯醇、淀粉类(如玉米淀粉和羟丙基淀粉)、烷基纤维素类(如C1-C6-烷基纤维素类，包括甲基纤维素、乙基纤维素和正丙基纤维素)；取代的烷基纤维素类，包括羟基-C1-C6-烷基纤维素类和羟基-C1-C6-烷基-C1-C6-烷基纤维素类(如羟乙基纤维素、羟基正丙基纤维素、羟基正丁基纤维素、羟丙基甲基纤维素和乙基羟乙基纤维素)。
本文中使用的术语“多元羧酸”是指具有两个或更多个羧酸官能团(如二羧酸、三羧酸和四羧酸)的有机酸，而且还包括这种有机酸的酸酐形式。二羧酸类包括：草酸、丙二酸、马来酸、苹果酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、苯二甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸和对苯二甲酸。优选的二羧酸类包括C4-C12-二羧酸类。适合的三羧酸类包括：柠檬酸、异柠檬酸、乌头酸、和丙-1，2，3-三羧酸。适合的四羧酸包括：均苯四甲酸、2，3，3′，4′-联苯四羧酸、3，3′，4，4′-四羧基二苯基醚、2，3′，3，4′-四羧基二苯基醚、3，3′，4，4′-二苯甲酮四羧酸、2，3，6，7-四羧基萘、1，4，5，7-四羧基萘、1，4，5，6-四羧基萘、3，3′，4，4′-四羧基二苯基甲烷、2，2-二(3，4-二羧基苯基)丙烷、丁烷四羧酸和环戊烷四羧酸。特别优选的多元羧酸是柠檬酸。
所述方法还包括以下步骤：例如通过在极性溶剂(如水、极性有机溶剂例如醇(如甲醇或乙醇)、或者其组合)中清洗可食用聚合物水凝胶来纯化可食用聚合物水凝胶。浸泡在极性溶剂中的可食用聚合物水凝胶发生溶胀并释放出任何成分(如副产物或没有结合到聚合物网络中的未反应的多元羧酸)。优选地将水用作极性溶剂，蒸馏水仍然是更优选的。达到凝胶最大溶胀度所需的水体积约为凝胶自身的最初体积的10至20倍。当考虑到在工业规模上所涉及的大量用水以及此步骤中清洗液的处理和/或回收时，在合成过程中避免有毒副产物的存在的重要性变得明显。可食用聚合物水凝胶的清洗步骤可重复进行一次以上，任选地改变所使用的极性溶剂。例如，可以用甲醇或乙醇清洗可食用聚合物水凝胶，接着用蒸馏水清洗，任选地重复上述这两个步骤一次或多次。也可以用组成为甲醇/水＝1/10至10/1(体积/体积)的水/甲醇混合物来完成清洗步骤；在一个优选的实施方案中，此组成可以在甲醇/水＝1/5至5/2的范围内；在一个特别优选的实施方案中，此组成将是甲醇/水＝1/3。
所述方法可以进一步包括对可食用聚合物水凝胶进行干燥的步骤。干燥步骤是通过将完全溶胀的可食用聚合物水凝胶浸泡在纤维素非溶剂中而完成，该方法称为相反转。例如，适合的纤维素非溶剂包括丙酮和乙醇。利用相反转对可食用聚合物水凝胶进行干燥，而形成最终的微孔结构，该微孔结构通过毛细作用可提升可食用聚合物水凝胶的吸收性能和吸收速率。此外，如果多孔性是相互连接或者是开放的(即微孔相互连通)，那么凝胶的吸收/解吸动力学也将得到改善。当把完全或部分溶胀的凝胶浸泡到非溶剂中时，凝胶经历相反转同时排除水，直至凝胶以玻璃状固体的形式作为白色颗粒而沉淀。为了在较短的时段内获得干燥的凝胶，必须在非溶剂中进行各种清洗。例如，当把溶胀的可食用聚合物水凝胶浸泡在作为非溶剂的丙酮中时，形成了水/丙酮混合物，当可食用聚合物水凝胶干燥时增加水含量；在某个丙酮/水浓度下，例如丙酮约为55％，水不再能够从可食用聚合物水凝胶中排出，因此必须将新鲜丙酮加入到可食用聚合物水凝胶中以继续干燥过程。在干燥期间，丙酮/水的比率越高则干燥步骤越快。孔的大小(即由于具体干燥方法而在水凝胶大块基体中所产生孔的尺寸)受到干燥过程的速率以及可食用聚合物水凝胶颗粒的最初尺寸的影响：较大的颗粒和较快的过程往往会增大孔径。优选地，孔的大小在微尺度范围内，因为在此尺度范围内的孔显示较强的毛细管效应，从而导致较高的吸收和水份保持能力。
当在清洗阶段后使用水/甲醇混合物时，此丙酮相反转步骤需要使用相当少量的丙酮(低至原来量的1/15)。这是因为水凝胶在甲醇/水混合物并不完全溶胀，甚至在清洗掉其杂质的情况下。因此，利用相反转来脱水的产品的体积是相当地低，因而需要对较少量的非溶剂进行脱水。在工业上，由于与丙酮使用相关的成本(在安全控制步骤和废物管理方面)的原因这是重要的。也可以利用其它方法(如空气干燥、冷冻干燥或烤箱干燥)对本发明可食用聚合物水凝胶进行干燥。这些干燥方法可以单独使用、组合使用、或者连同上述非溶剂干燥步骤一起使用。例如，可以在非溶剂中对可食用聚合物水凝胶进行干燥，接着进行空气干燥、冷冻干燥、烤箱干燥或者其组合，以除去任何残留的痕量的非溶剂。可以在约30～45℃的温度下进行烤箱干燥，直至完全除去非溶剂。然后，经清洗和干燥的可食用聚合物水凝胶可以按原有形式施用使用、或者可以被研磨制成期望大小的可食用聚合物水凝胶颗粒。
交联溶液可以任选地包括起分子间隔剂作用的化合物。本文中使用的术语“分子间隔剂”是多羟基化合物，尽管其不参与形成交联的可食用聚合物水凝胶网络的反应达明显的程度，但是形成吸收能力增强的可食用聚合物水凝胶。尽管在某些情况下分子间隔剂可少量地参与交联反应，但是一般认为分子间隔剂是通过在空间上阻止接近聚合物链由此在交联反应期间增加聚合物链之间的平均距离而起作用。因此，交联可以发生在不靠近的位置，由此增强聚合物网络膨胀并极大地提高可食用聚合物水凝胶吸收性能的能力。从分子的观点来看，这对应于弹性的下降(本质上是熵的下降)从而导致聚合物溶胀，这与低程度网络交联有关。本发明方法中使用的分子间隔剂的合适化合物包括：单糖类、二糖类和糖醇类，包括蔗糖、山梨糖醇、植物甘油、甘露醇、海藻糖、乳糖、麦芽糖、赤藓糖醇、木糖醇、乳糖醇、麦芽糖醇、阿拉伯糖醇、丙三醇、异麦芽酮糖醇和纤维二糖。分子间隔剂在交联溶液中的含量，优选为相对于溶剂的约0.5至约30重量％或者相对于聚合物的1～5倍，更优选为相对于溶剂的约10％至约20％、更优选为相对于溶剂的约18重量％。
根据本发明的优选实施方案，合成可食用聚合物水凝胶中使用的分子间隔剂是选自山梨糖醇、蔗糖和植物甘油。
根据本发明方法的特别优选的实施方案，使用山梨糖醇作为分子间隔剂，其浓度在0.5至24重量％(相对于水的重量)范围内，优选在10至20重量％(相对于水的重量)范围内，更优选为18重量％(相对于水的重量)。
在一个实施方案中，水溶液包含离子聚合物，优选阴离子聚合物，最优选羧甲基纤维素。在一个特别优选的实施方案中，阴离子聚合物是羧甲基纤维素，多元羧酸是柠檬酸。
在另一个实施方案中，水溶液包含离子聚合物和非离子聚合物。离子聚合物优选的是阴离子聚合物，最优选羧甲基纤维素。非离子聚合物优选取代纤维素，更优选羟基烷基纤维素或羟基烷基烷基纤维素，最优选羟乙基纤维素(“HEC”)。优选的多元羧酸是柠檬酸。
离子聚合物与非离子聚合物(离子聚合物∶非离子聚合物)的重量比范围为约1∶10至约10∶1，优选约1∶5至约5∶1。在优选的实施方案中，重量比为大于1∶1，例如从约2至约5。在一个特别优选的的实施方案中，离子聚合物是羧甲基纤维素，非离子聚合物是羟乙基纤维素，离子聚合物与非离子聚合物的重量比(离子聚合物∶非离子聚合物)约为3∶1。
在一个优选的实施方案中，水溶液中的总前体浓度为至少2重量％(相对于起始水溶液的水重量)，交联剂的量是在约0.5重量％至约5重量％之间(相对于前体的重量)。在本说明书中，术语“前体”表示亲水性聚合物，其是用作形成可食用聚合物水凝胶聚合物网络的前体。在某些实施方案中，“前体的重量”是所使用的CMC的重量、或者所使用的CMC与HEC的合计重量。优选地，所述水溶液含有约为18重量％(相对于水的重量)的山梨糖醇。
优选地，交联反应在约50℃与140℃之间的温度下进行。在该方法的此阶段改变温度，将能够增加或降低聚合物网络交联度。交联温度优选为约80℃。在一个实施方案中，亲水性聚合物是羧甲基纤维素，优选以钠盐的形式(“CMCNa”)(2％～10％)，交联剂是柠檬酸(0.01％至5％)，分子间隔剂是山梨糖醇(6％至24％)，交联温度是在65℃至100℃的范围内，交联时间为约0.5至约48小时。
包衣
在某些实施方案中，所述组合物包含单独包衣的聚合物颗粒。在其它实施方案中，所述组合物包含用包衣材料进行包封的聚合物颗粒。在某些实施方案中，包衣材料将可食用聚合物水凝胶在胃中发生溶胀。
在某些实施方案中，包衣将防止可食用聚合物水凝胶在口腔和/或食物中发生溶胀。这种包衣优选在胃中发生降解，由此使可食用聚合物水凝胶能够接触胃内容物，使得可食用聚合物水凝胶在胃中溶胀。适当的包衣包括防潮层包衣，防潮层包衣包括蛋白质、脂肪、糖或者其组合。
在某些实施方案中，所述组合物包含具有肠溶包衣的可食用聚合物水凝胶。术语“肠溶包衣”的定义是应用于口服法的、可控制药物在消化系统中的吸收位置的屏障。“肠”是指小肠，因此肠溶包衣防止药物在到达小肠前的释放。大部分肠溶包衣是通过提供在胃的高酸性pH值下稳定但在酸性较弱(相对地更碱性)的pH值下快速分解的表面，而发挥其作用。例如，它们不会在酸性胃环境(pH值为1.5至5)中溶解，但它们会在小肠环境的较高pH值(pH值高于5.5)下溶解。用于肠溶包衣的材料包括：脂肪酸、蜡类、虫胶和塑料。在一个实施方案中，肠溶包衣在受试者的胃中是不易消化的，由此防止可食用聚合物水凝胶在受试者胃中的释放。在一个实施方案中，将肠溶包衣设计成在一个时间段后在消化条件下溶解。此时间段优选不小于约50分钟，由此防止可食用聚合物水凝胶在受试者中的暴露直至从胃中被排空材料。
这种肠溶包衣料的实例包括：纤维素、聚乙烯、丙烯酸衍生物、醋酸邻苯二甲酸纤维素、聚醋酸乙烯邻苯二甲酸酯、羟丙基甲基纤维素的衍生物(如邻苯二甲酸羟丙基甲基纤维素、或醋酸琥珀酸羟丙基甲基纤维素)、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸乙酯的共聚物、及其组合。更具体地，适合的包衣材料包括：纤维素衍生物，包括羧甲基乙基纤维素、醋酸邻苯二甲酸纤维素、醋酸琥珀酸纤维素、邻苯二甲酸甲基纤维素、邻苯二甲酸羟甲基乙基纤维素、邻苯二甲酸羟丙基甲基纤维素、醋酸琥珀酸羟丙基甲基纤维素等；聚乙烯衍生物，包括聚乙烯醇邻苯二甲酸、聚乙烯丁酸邻苯二甲酸、聚乙烯乙酰乙酸邻苯二甲酸等；马来酸-乙烯混合共聚物，包括聚(醋酸乙烯、马来酸酐)、聚(乙烯基丁基醚、马来酸酐)、聚(苯乙烯、马来酸单酯)等；丙烯酸酯共聚物，包括聚(丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸)、聚(苯乙烯、丙烯酸)、聚(丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、丙烯酸辛酯)、聚(甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯)(例如Eudragit L和Eudragit S，均为商品名，可从德国RohmPharma获得)，及其组合，以及本领域技术人员已知的类似肠溶包衣材料。
在某些实施方案中，所述组合物包含包衣，该包衣基于包衣的厚度和组成而以预定的速率溶解。这种包衣可以包括纤维素醚类(如ETHOCEL和METHOCEL、以及它们的混合物)、Instacoat Aqua(其包括基于HPMC和PVA的系统)、以及丙烯酸酯树脂(如丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物)的混合物。
配制和施用的方法
在某些实施方案中，所述组合物是口服施用。适当的口服剂型包括：片剂、胶囊、囊片、可咀嚼组合物、粉剂、糖浆剂、溶液剂、混悬剂和奶昔。在一个实施方案中，将所述组合物与一种或多种辅料，任选地与一种或多种pH值调整剂和/或一种或多种活性剂进行压片而形成片剂。用于制备片剂的合适的辅料包括：粘合剂、防腐剂、润滑剂、抗氧化剂、助流剂、香料、着色剂、及其组合。
在一个实施方案中，将可食用聚合物水凝胶包封在硬明胶胶囊或软明胶胶囊中。胶囊填充材料包含该材料，并且任选地含有一种或多种pH值调整剂和/或活性剂。填充料也可以含有一种或多种赋形剂。如上所述，适合的赋形剂包括但不限于塑化剂、结晶抑制剂、湿润剂、填充剂、防聚集剂、增溶剂、助流剂、生物利用度增强剂、溶剂、以及其组合。在某些实施方案中，缓冲剂是选自碳酸氢铵、碳酸铵、氢氧化铵、碳酸氢钠、碳酸钙、氢氧化钙、碳酸镁、碳酸氢钾、碳酸钾、氢氧化钾、碳酸钠、氢氧化钠、或者其组合。辅料的其它实例包括糖类，如蔗糖、乳糖、甘露醇或葡萄糖、淀粉、部分预胶化淀粉、结晶纤维素、磷酸钙、硫酸钙、沉淀碳酸钙、水合二氧化硅等。粘合剂的实例包括寡糖或糖醇，如蔗糖、葡萄糖、乳糖、麦芽糖、山梨糖醇或甘露醇；多糖类，如糊精、淀粉、海藻酸钠、角叉菜胶、瓜尔胶、阿拉伯树胶或琼脂；天然聚合物，如黄蓍胶、明胶或谷蛋白粘胶质(gluten)；纤维素衍生物，如甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素钠或羟丙基甲基纤维素；合成聚合物，如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙二醇、聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸等。
在某些实施方案中，将剂型结合到半固体基质中形成可匙取的递送系统。半固体基质可以包括：果胶、瓜尔胶、黄原胶、阿拉伯胶、阿拉伯树胶、刺槐豆胶、角叉菜胶、海藻酸、欧车前水胶体、燕麦面粉胶、大米面粉胶、葡甘露聚糖、黄蓍胶、剌梧桐胶、木薯淀粉、玉米淀粉、纤维素胶、琼脂、明胶、聚丙烯酸酯、多糖类、聚乙烯吡咯烷酮、吡咯烷酮类、多元醇、胶原、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醚类、聚酯类、天然或合成油类、液体石蜡、蜂蜡、有机硅蜡、天然或改良脂肪酸、或者其组合。另外，可以使用粘性水果果泥，如苹果、李子、杏、梨、菠萝、香蕉、葡萄、草莓、树莓、黑莓、杂交草莓、罗甘莓、露莓(dewberry)、醋栗(gooseberry)、蔓越莓、桑果(mulberry)、接骨木果、蓝莓、无花果、穗醋粟(currant)、猕猴桃。
在某些实施方案中，剂型可以是含有聚合物粉的扁囊剂，聚合物粉可以作为干粉而食用或者将其加入到半固体基质以形成可匙取的递送系统。半固体基质可以包括粘性水果果泥，如：苹果、李子、杏、梨、菠萝、香蕉、葡萄、草莓、树莓、黑莓、杂交草莓、罗甘莓、露莓、醋栗、蔓越莓、桑果、接骨木果、蓝莓、无花果、穗醋栗、猕猴桃或者其组合。
在某些实施方案中，将所述组合物与食欲抑制剂或抗肥胖剂一起施用。在某些实施方案中，将所述组合物与食欲抑制剂或抗肥胖剂同时施用或者相继地施用(即，在分开的制剂中)。在某些实施方案中，所述组合物与食欲抑制剂、抗肥胖营养品或抗肥胖剂是在同一制剂中。
在某些实施方案中，食欲抑制剂、抗肥胖营养食品或抗肥胖剂是选自盐酸西布曲明、奥利司他、利莫那班、苄非他明、安非拉酮、马吲哚、苯甲曲秦、芬特明、安非他明、芬氟拉明、纳美酮、芬特明(Fastin、Adipex、Ionamin和其它)；安非拉酮(Tenuate)；西布曲明(Meridia、Reductil)；利莫那班(Acomplia)；苯氟雷司；丁烯酸内酯；安非拉酮；FG 7142(N-甲基-9H-吡啶并[5，4-b]吲哚-3-甲酰胺)；去甲伪麻黄碱；芬美曲秦；芬特明；苯丙醇胺；焦谷氨酰基-组氨酰-甘氨酸；西布曲明；苯甲曲秦(Prelu-2、Bontril)；苄非他明(Didrex)；胃泌酸调节素(Oxyntomodulin)；哌醋甲酯；(Concerta)(Ritalin)；苯乙胺(Trimspa)、丙酮酸盐、HEA、丁酸B-羟基-B-甲酯、壳聚糖、共轭亚油酸(CLA)、蝴蝶亚(hoodia gordonii)、苦橙(citrusnaringin)、卡瓦(kava)、松萝酸、麻黄、及其组合。在某些实施方案中，与肥胖症的外科手术结合施用所述组合物。在某些实施方案中，治疗肥胖症的外科手术是选自胃束带术、胃旁路术、胃内水球、植入式胃刺激器和胃电刺激。
实施例
现在对本发明作一般性的描述，利用以下实施例将更容易地理解本发明，实施例只是以举例说明本发明的某些方面和实施方案为目的，而并不意图限制本发明。
实施例1 羧甲基纤维素/羟乙基纤维素混合物的柠檬酸交联
材料
羧甲基纤维素钠盐(CMCNa，分子量700kDa，DS 0.9，食品级)、HEC(分子量250kDa，食品级)从Eigenmann e Veronelli S.p.A.Milano公司购得，柠檬酸是由Dal Cin S.p.A.Sesto San Giovanni Milano提供，以上材料均按原样直接使用。
可食用聚合物水凝胶的合成
按照以下步骤使CMCNa和HEC与作为交联剂的柠檬酸在水中进行反应，而获得可食用聚合物水凝胶样品。首先，利用CMCNa与HEC的混合物(重量比＝3/1)通过在室温下轻轻搅拌将浓度为2重量％水的总聚合物溶解于蒸馏水，直至获得澄清的溶液(已报道，如果仅使用CMCNa，则由于聚电解质链之间的静电推斥以及在C6位(最有反应性的位置)的羟基的高取代度而使交联效率低[1])。在所采用的浓度下，CMCNa的溶解是缓慢的；因此，首先将HEC加入到水中直至获得澄清溶液，并且在5分钟后粘度有轻微增加。然后，在连续搅拌下加入CMCNa，直至获得澄清溶液(24小时)，并且粘度显著增加。最后，以不同浓度(1.75％、2.75％、3.75％、10％和20％w/w聚合物)加入柠檬酸(CA)，从而获得具有各种交联度的样品。使用最终溶液，将其模压成10mm厚的样品。首先，将所有样品在30℃下预干燥24小时以除去大部分的吸收水，然后保持在80℃下进行交联反应(24小时，进行中间体控制)。
此外，也正好根据与HEC/CMCNa混合物相同的实验条件来制备利用CA进行交联的含纯HEC或纯CMCNa样品的样品。
利用FT IR测量对所有样品进行分析。通过监测在1738cm-1处的羰基区域内的其特征性伸缩带而检测出酸酐形成[2]。
溶胀率
对于此样品，所有样品的平衡溶胀测定均是在蒸馏水中使用Sartorius微量天平(灵敏度＝10-5)而完成。在将样品在蒸馏水中浸泡约24小时之前和之后对其进行称重，从而测定溶胀率。溶胀率(SR)的定义如下：
SR＝(Ws-Wd)/Wd
其中，Ws是溶胀的可食用聚合物水凝胶的重量，Wd是干燥样品的重量[3]。
差示扫描量热仪
将差示扫描量热仪(Mettler-Toledo 822e Mettler DSC)用于热分析。扫描温度范围和升温速率分别为10～200℃和5℃/分钟。
采用的热循环是：(1)从10℃加热至100℃；(2)在100℃恒温下保持3分钟；(3)从100℃冷却至10℃；(4)从10℃加热至200℃；(5)在200℃恒温；(6)冷却至室温。将空盘用作参考。
傅立叶变换红外光谱法
在装备有衰减全反射(ATR)晶体取样器的JASCO FT-IR 660plus光谱仪上记录所有的FT IR光谱。在ATR晶体取样器上直接使用薄膜样品，以4cm-1的分辨率进行300次扫描，吸收范围是4000cm-1至600cm-1。
结果和讨论
纯柠檬酸的差示扫描量热仪(DSC)热分析图显示出在约60℃的峰，这是该峰与酸酐脱水相关的失水过程所造成。在第二次扫描中，观察到从约160℃开始的完全降解。
纯CMCNa和HEC粉的DSC分析表明一些水仍然被吸收于聚合物中。在100℃以上检测出CMCNa的可能的降解峰。在100℃下CMCNa和HEC均显示热稳定性。
将样品在30℃下干燥24小时并变为粉末后，利用DSC对由CMCNa/HEC的(比率＝3∶1)与聚合物的3.75重量％的柠檬酸所获得的可食用聚合物水凝胶的薄膜进行分析。与由酐化过程产生的水蒸发相关的大的吸热峰是明显的。叠加在第一个大峰上的小放热峰是由于酯化造成。在第二次加热循环中，观察到交联纤维素混合物的玻璃化转变(Tg＝38℃)。
在此预备DSC研究后，按照以下程序制备不同的可食用聚合物水凝胶样品。在水中混合各反应剂后，在干燥状态下将反应容器于30℃下保持24小时而除去水。然后将温度升高至60℃以上，根据第一次DSC分析的结果进行计算，获得柠檬酸酐。在高于60℃的温度下可利用酸酐与纤维素的羟基交联。采用不同的反应条件(如温度和CA浓度)来优化合成工艺，如表1中所总结的。对用于交联过程的两个不同反应温度(80℃和120℃)进行尝试。随后选择80℃的反应温度，以防止发生降解的可能性或者限制反应速率。此外，为了放大与各化学反应步骤相关的FT IR信号，最初使用非常高的浓度(10重量％和20重量％)的CA。为了研究CA与各聚合物的反应性，首先使纯CMCNa和HEC与CA进行交联。
表1.不同反应条件(如温度和CA浓度)对合成工艺的影响
  反应标签   起始聚合物   柠檬酸浓度(％w/w聚合物)
  A10   CMCNa   10
  A20   CMCNa   20
  B10   HEC   10         10
  B20   HEC   20
  C10   CMCNa/HEC(3/1)   10
  C20   CMCNa/HEC(3/1)   20
记录柠檬酸、加热前的A10反应混合物和加热5小时后的A10反应混合物的FT IR光谱。在CA光谱中，可以观察到由羧酸引起的以1715cm-1为中心的强C＝O带。样品A10的FT-IR光谱在1590cm-1处显示是纤维素特征的强吸收带[4]。加热后，在约1590cm-1处仍然可以观察到吸收带，另外在1738cm-1处出现一个新的吸收带。在约1758cm-1和1828cm-1附近的羰基区域中酸酐显示两个伸缩带。在环状酸酐中，较高频率带的强度更大。环状酸酐显示较低频率的伸缩带(C＝O伸缩带)强于在较高频率的伸缩带[2]。在1738cm-1处观察到的新峰是由于在与酸酐形成(CA与纤维素羟基反应所必需的中间反应)有关的较低频率处的羰基的特征性伸缩带所造成。相反，预计在较高频率的羰基峰却未检出，这有可能是由于其强度降低的缘故。
记录柠檬酸、加热前B10的反应混合物和加热6.5小时后的B10反应混合物的FT-IR光谱。在加热前和加热后的HEC光谱再次显示在1590cm-1的吸收带，同时仅在80℃加热后在1738cm-1处出现羰基的吸收，如样品A10中观察到的。
尽管通常认为FT-IR分析是定性的技术，但是由Coma和其同事们完成的文献研究显示红外光谱法也可在第一近似法中用于交联纤维素衍生物中的交联速率的测定[4]。基于此假设，通过在不同的反应时间记录FT IR光谱来对在80℃引起交联的不同反应的进展进行监测。
将在1738cm-1(A1)处的吸收峰(代表羰基)下面积与在1592cm-1(A2)处的参考吸收峰(所有光谱中是不变的)下面积进行比较。以A1/A2比来评价酸酐的进展，A1/A2是作为反应时间的函数。当在80℃下用20％CA或10％CA进行反应时，CMCNa聚合物的FT IR光谱均显示相似的趋势：加热前不存在的酸酐带几乎在反应的第一小时后即达到最大值，接着在3小时后降至最小值，然后在5小时后再次增加达到第二最大值。最后，24小时后较慢的过程使吸收带面积降至零。值得注意的是，在20％CA反应的光谱中，第二个最大值满足值(A1/A2＝0.10)，高于10％CA反应中观察到的值(A1/A2＝0.04)。
假设在约1738cm-1处的峰是由于酐化过程引起，酐化过程涉及游离CA，接着是此酸酐与纤维素羟基的第一次缩合，从而导致酸酐羰基的丧失。然后，聚合物中新交联的羧酸酯基能够再次形成酸酐，导致在1738cm-1处的峰增大。此酸酐的第二次反应导致交联，并导致酸酐基的进一步去除以及随后在1738cm-1处的峰的下降。这个第二次反应较慢，因为其涉及到连接到大分子上的基团，因此受到更多的立体阻碍，正如其它纤维素交联方法中所报道的[1]。溶胀测定可证实这个可能的反应机制。
当在80℃下用20％CA或10％CA进行HEC聚合物的反应时，也记录HEC聚合物的反应的FT IR光谱。在10％CA的情况下，当反应时间从0小时增加到6.5小时时酸酐带的强度从0增加到0.098，但当反应时间达到24小时时则酸酐带的强度降至0。20％CA的反应具有相同的趋势并且在5小时时提供0.079的最大值。假设交联机制与CMCNa的机制相同，酐化反应和酯化反应似乎发生重叠。因此，在FT IR光谱中，HEC聚合物显示单峰。后一个结果符合Xie和其同事们的结论[5]。他们通过评估在不同反应时间下淀粉与CA热法反应的交联酯化来研究取代度，并且在几小时后发现最大值。
为了解释24小时后记录的所有FT IR光谱中所观察到的数据，由于未确定的二次反应，我们断定聚合物在烤箱中保持24小时是不稳定的。这些反应改变了聚合物结构并且还涉及酯的功能。Xie及其同事们[5]的工作假设取代度达到最大值然后下降，因为当反应时间超过7小时时取代基从淀粉上分离。
最后，CMCNa与HEC的聚合物混合物发生交联。CMCNa含有羧酸官能团，其增加了溶液中的体积变化步骤。跟踪反应路径的初步尝试失败。有可能反应系统被认为是太复杂并且具有许多不同的反应中心。对加热前、加热8小时后和加热13小时后所记录的C10反应的FT IR光谱加以比较。反应样品C20显示相似的光谱。此外，值得注意的是，当使用聚合物混合物(C10和C20)时，在约1715cm-1处出现宽的信号，尤其当反应采用较高的CA浓度时。实际上，在CA浓度为20％的情况下，在1715cm-1处的CA信号非常宽的并且重叠到在1590cm-1处的聚合物信号上，造成清楚的带不可检出。然而，应当指出在加热前检测出约1715cm-1处的带。加热前的C10反应混合物约在1715cm-1处显示覆盖以前其它反应(A10、A20、B10、B20)中所监测的吸收区的带；因此难以作出对羰基的清楚指定。然而，其它两个光谱表明在交联反应期间此带向较高的波长移动。特别是，FT IR光谱在8小时后和13小时后在1711cm-1-1736cm-1的范围内显示宽的吸收带，此吸收带在1737cm-1处作为窄的吸收带而更清楚地出现，其是羰基的特征。C20反应的光谱提供相似的结果。尽管当C10和C20样品发生交联时不能进行羰基的定量分析，但是可以假设对羰基峰的评价类似于纯聚合物的反应所观察到的羰基峰的评价。
也通过研究反应过程中的溶胀行为来对交联反应动力学进行监测。计算以下物质的作为反应时间的函数的溶胀率：(a)CA浓度为10％或20％的CMCNa；(b)CA浓度为10％或20％的HEC；(c)CA浓度为10％或20％的CMCNa与HEC(3/1)的混合物；(d)CA浓度为1.75％、2.75％或3.75％的CMCNa与HEC(3/1)的混合物。
结果表明，24小时后用10％柠檬酸交联的CMCNa的溶胀程度高于在相同柠檬酸浓度下的HEC。当把20％的柠檬酸添加到纤维素类中时，HEC与CMCNa的溶胀曲线的形状相似。在这种情况下，当交联进行时，以HEC为主的样品的溶胀的下降快于CMCNa样品。这表明CA与HEC之间有较高的反应速率。这有可能会发生，其原因是HEC的空间阻力小于CMCNa，并且与CMCNa链相比可以更快地反应。此外，各重复单元中HEC的OH基多于CMCNa的OH基(3比2)。
在凝胶化开始时3小时后，观察到CMC/CA样品的最大溶胀。这与第二次酯化反应的开始相对应。当交联过程增加时，相应的平衡水吸收下降，从而证实了FT IR分析的结果。
对于与CA发生交联的纯HEC来说，可以假设相同的反应机制。然而，在这种情况下，由于没有键合到聚合物上的羧基，因此总的反应行为略有不同。对溶胀实验结果的解释，必须考虑到CA引入导致聚电解质网络的形成的高亲水性羧基。因此，水吸收明显地降低，因为羧基首先连接到HEC链，然后连接到凝胶化的网络。在CMC可食用聚合物水凝胶中不能理解这种效果，因为大量-COOH基(连接到CMCNa链上的那些)在凝胶化开始时已键合到网络中。在HEC与CMCNa的混合物中观察到类似的趋势。
以降低的柠檬酸浓度(聚合物的1.75％、2.75％和3.75重量％)获得可提供高溶胀度的实际使用的可食用聚合物水凝胶。当柠檬酸浓度为3.75％时，溶胀率可以达到900。此可食用聚合物水凝胶的特征是在溶胀后具有充分的硬度并且能够保持与合成容器相同的形状。以前使用二乙烯砜(有毒试剂)作为交联剂以及相同比率的CMCNa与HEC合成的可食用聚合物水凝胶[1]，其特征是具有为200的最大溶胀率。在这种情况下，使用环境友好型交联剂来获得较高的溶胀率。在低于1.75％CA的浓度下，观察到与不足机械性能相关的弱交联。
结论
此项工作第一次显示CA可以成功地用作CMCNa/HEC混合物的交联剂。有人提出基于酸酐中间体形成的酯化机制来解释纤维素聚合物与CA的反应。
利用DSC或FT-IR分析对CMCNa/HEC系统的交联反应进行观察。借助于在使用过量柠檬酸下的不同反应时间所记录的FT IR光谱，来监测不同的交联反应的进展。在不同反应时间所监测的溶胀率证实了根据FT-IR分析所设想出的反应路径。采用低CA浓度获得用于实际用途的最佳程度(900倍)的溶胀。用实施例1中所述方的法获得的可食用聚合物水凝胶在以下方面具有很大的优势：降低主要成本和生产成本，并且在其合成过程中避免产生有毒的中间体。
实施例2 在分子间隔剂存在下羧甲基纤维素与羧甲基纤维素/羟乙基纤维 素的混合物的柠檬酸交联
材料和方法
所有采用的材料是由Aldrich Italia公司提供，并且在不进行任何进一步的改变下使用。除了用于标准合成的标准实验室玻璃器皿、橱柜和长桌之外，鉴定中所使用的装置是扫描电子显微镜(SEM)JEOL JSM-6500F，精度为10-5g Sartorius比例尺、Isco混合器和ARES流变仪。
通过使用柠檬酸(CA)作为交联剂并且使用山梨糖醇作为分子间隔剂使羧甲基纤维素钠盐(CMCNa)和羟乙基纤维素(HEC)的水溶液发生交联，而制备可食用聚合物水凝胶。凝胶的组成是由起始溶液中额定量的试剂而给出。用于确定所述组成的参数如下：
(i)前体的重量浓度(％)＝溶液中聚合物的总质量(例如，CMCNa+HEC)(g)×100/水的质量(g)；
(ii)CMCNa与HEC的重量比＝溶液中CMCNa的质量(g)/溶液中HEC的质量(g)；
(iii)交联剂(CA)的重量浓度(％)＝溶液中CA的质量(g)×100/溶液中的前体的质量(g)；以及
(iv)分子间隔剂(例如山梨糖醇)的重量浓度(％)＝分子间隔剂的质量(g)×100/水的质量(g)。
实验室测试显示，如果聚合物的浓度低于2％以及CA浓度低于1％，则不能实现交联或者导致合成出的凝胶机械性能非常差。另一方面，如果交联剂浓度大于约5％，则明显增加交联度和聚合物稳定性，但却过度地降低高吸水性凝胶的吸收性能。
因为CMCNa是离子聚合物类，所以可以通过调整羧甲基纤维素钠盐(CMCNa)与羟乙基纤维素(HEC)的重量比来获得期望的吸收性能。观察到如果CMCNa/HCE的重量比在0/1与5/1之间、优选在1/1与3/1之间，则能够合成出具有最佳吸收性能的可食用聚合物水凝胶。
以下提供柠檬酸的重量百分率(wt％)和聚合物前体的组成彼此不同的、与本发明的不同可食用聚合物水凝胶的合成有关的实施例。
可食用聚合物水凝胶A的制备：向含蒸馏水的烧杯中加入山梨糖醇(浓度为4重量％)并搅拌，直至山梨糖醇在几分钟内完全溶解。以2重量％的总浓度加入CMCNa和HEC聚合物(CMCNa/HEC的重量比为3/1)。进行混合直至全部聚合物溶解以及溶液变清。在此阶段，以1重量％的浓度将柠檬酸加入到溶液中，溶液粘度极大地增加。将获得的溶液倒入一容器中，在48℃下干燥48小时。在此过程中，使高分子稳定到可食用聚合物水凝胶骨架的聚合物网络中。在交联过程结束时，将可食用聚合物水凝胶在室温下用蒸馏水清洗24小时。在此相期间，可食用聚合物水凝胶发生溶胀，由此除去杂质。为了获得最大程度的溶胀并除去所有杂质，在24小时的清洗步骤中进行至少3次蒸馏水清洗。在此清洗步骤结束时，在作为非溶剂的丙酮中利用相反转对可食用聚合物水凝胶进行干燥，直至获得玻璃状的白色沉淀。然后将沉淀在45℃烤箱中放置约3小时，以除去任何残留的痕量的丙酮。
可食用聚合物水凝胶B的制备：除了聚合物是仅由CMCNa制成，并且CMCNa的浓度为2重量％(相对于蒸馏水的重量)之外，如聚合物水凝胶A那样来制备可食用聚合物水凝胶B。
可食用聚合物水凝胶C的制备：除了柠檬酸的浓度为0.04重量％(相对于蒸馏水的重量)之外，如聚合物水凝胶B那样来制备可食用聚合物水凝胶C。
可食用聚合物水凝胶D的制备：除了柠檬酸的浓度为0.01重量％(相对于蒸馏水的重量)以外，如聚合物水凝胶B那样来制备可食用聚合物水凝胶D。
可食用聚合物水凝胶D的制备：仅除了柠檬酸的浓度为0.5重量％(相对于羧甲基纤维素钠的重量)以外，如聚合物水凝胶B那样来制备可食用聚合物水凝胶D。
可食用聚合物水凝胶E的制备：仅除了以4重量％的总浓度(相对于蒸馏水的重量)加入CMCNa和HEC聚合物以外，如聚合物水凝胶A那样来制备可食用聚合物水凝胶D。
可食用聚合物水凝胶F的制备：仅除了柠檬酸浓度为0.5重量％(相对于CMCNa与HEC的合计重量)以外，如聚合物水凝胶A那样来制备可食用聚合物水凝胶F。
吸收测定
利用在蒸馏水中的吸收测定，对如上所述的可食用聚合物水凝胶的吸收性能进行测试。吸收测定主要包括将由干燥步骤获得的干燥样品放入蒸馏水中静置，让其发生溶胀直至达到平衡条件。
基于根据上述公式所定义的凝胶的溶胀率(SR)来评价凝胶的吸收性能。为了减小实验误差的影响，分别对取自各凝胶的三个样品进行测试，将三个测定值结果的平均值作为有效值。
从各测试凝胶中获取三个干样品，它们各自具有不同的重量和尺寸。在记录重量后，在室温下使样品在大量蒸馏水中发生溶胀。当24小时后达到平衡后，再一次对样品进行称重，以确定溶胀率。
结果
以下的表2中报道了在改变试剂浓度和交联时间(6小时、13小时、18小时、24小时)的溶胀率方面所获得的一些结果。
表2.反应剂浓度和交联时间对溶胀率的影响
Figure BPA00001406361600501
nr＝未交联
聚合物浓度的增加对最终产物的溶胀性能施加负面影响，交联时间对吸收性能施加显著的影响。
因此，通过将聚合物浓度常数保持在2％并改变柠檬酸浓度，来完成进一步的实验。将结果汇报于表3。
表3.改变柠檬酸浓度对溶胀率的影响
Figure BPA00001406361600511
nr＝未交联
表3 显示交联剂浓度为0.02％的样品g22具有最佳溶胀率。
进行将HEC从溶液中完全除去的进一步的实验。这使得可食用聚合物水凝胶更具亲水性，由此导致溶胀率的增加。表4显示了所获得结果中的一些果。
表4.除去HEC对溶胀率的影响
Figure BPA00001406361600512
nr＝未交联
最高溶胀率与13小时的交联时间和0.02％的柠檬酸浓度相关。另外，较高的柠檬酸浓度连同较短的交联时间导致同样满意的溶胀率，尽管反应非常快且较不易控制。
最后，对通过在材料中形成多孔性以促进吸收性能而增加溶胀率的可能性进行评估。为了这个目的，让进行12小时交联的样品g31在蒸馏水中溶胀24小时，然后利用在丙酮中相反转进行干燥。利用此技术，获得为200的溶胀率。
实施例3 可食用聚合物水凝胶在模拟胃液(SGF)和SGF/水混合物中的溶 胀
此实施例描述了在各种媒介物中在37℃下的体外溶胀和塌陷实验中，对实施例2中的可食用聚合物水凝胶B所代表的高吸水性可食用聚合物水凝胶的评价。
在37℃下的溶胀动力学(在100％SGF中)
将100mg经干燥的可食用聚合物水凝胶浸泡在模拟胃液(“SGF”)或者SGF与水的混合物中让其溶胀，直至达到平衡状态。按照USP试验液操作制备模拟胃液。在各时间点测定在各液体中的溶胀率。将结果示于表5和表6。
表5.干燥的可食用聚合物水凝胶B在37℃的100％SGF中的溶胀。
表6.干燥的可食用聚合物水凝胶B在37℃的SGF与水(1∶8)的混合物中的溶胀。
Figure BPA00001406361600522
37℃下的塌陷动力学(加入SGF)
为了模拟对水合可食用聚合物水凝胶的消化作用，向溶胀60分钟的上述可食用聚合物水凝胶(表6，SGF/水)中缓慢加入100％SGF以使凝胶颗粒塌陷。对作为所加入SGF累积体积的函数的溶胀率进行监测。将结果示于表7。
表7.作为所加入SGF的累积体积的函数的溶胀率
Figure BPA00001406361600531
溶胀(在1∶8的SGF/水中)、塌陷(在SGF中)和再溶胀(在SGF中)的动力学
通过整个在(1∶8)SGF/水中的溶胀、在SGF中的塌陷、在模拟肠液(SIF)中的再溶胀(然后降解)的循环中(均在37℃下)对溶胀率进行检测而进行实验。将进行的再溶胀/降解动力学的实验和结果示于表8。当pH值存在时，给出pH值。
表8.在SGF/水中溶胀、在SGF中的塌陷、在SIF中的再溶胀的动力学
Figure BPA00001406361600532
结论
此可食用聚合物水凝胶在SGF(pH值＝1.5)中溶胀约15倍，在模拟胃液/水混合物(pH值＝3)中溶胀85倍。
这表明，当pH值低于3(CMC的pKa为-3.1)时可食用聚合物水凝胶具有pH值-溶胀相关性，由于缺少道南效应(Donnan effect)，所以可食用聚合物水凝胶将发生有限的溶胀。该聚合物也可以在pH增加的模拟肠液中发生溶胀。
实施例4 柠檬酸交联的羧甲基纤维素的一般制备方法
对由与柠檬酸交联的羧甲基纤维素组成的可食用聚合物水凝胶的替代性合成进行了研究。这些制备方法在起始聚合物的浓度、交联反应操作(从真空下100℃变为大气中80℃)、清洗步骤、和干燥步骤的方面不同于上述制备方法。在此实施例中，对一般合成步骤进行了描述，并附上一些实施例。
原材料
所有的使用材料均为食品级，且目前用于大范围的食物制备。下面提供在此制备中所使用的原料的最常见用途的清单：
1.纤维素(CAS#9004-32-4，E466)：
纤维素的主要应用领域是在冷冻乳制品、宠物食品、烘焙产品、饮料、低热量食物、即食产品和沙拉酱。纤维素也用于制药、化妆品和个人护理用品。纤维素能够对粘度和流变性能进行控制，并且可用作助悬剂和粘合剂。由于其亲水性能，纤维素也可用于食物中的水分保持。它还抑制晶体成长，并且在薄膜形式下其具有强机械强度并且是耐化学性的。在下面的实施例中，所用的纤维素聚合物是羧甲基纤维素钠盐(CMCNa)，其是食品添加剂。
2.柠檬酸(CAS#77-92-9，E330)：
作为食品添加剂，将柠檬酸用作食物和饮料(特别是软饮料)中的调味剂和防腐剂。柠檬酸被所有主要的国家和国际食物管理机构确认可安全地用于食品。柠檬酸自然地出现在几乎所有形式的生活用品中，过量柠檬酸可容易地被从体内代谢或消除。
3.山梨糖醇(CAS#50-70-4，E420)：
山梨糖醇是具有甜味且高度稳定性(除了保湿和塑化的性能外)的水溶性多元醇。它用于牙膏、补品/液体药物制剂、化妆品(如面霜和洗剂)的制造。其具有大范围的用途。主要用途是洁齿剂、化妆品乳霜、洗剂和古龙水(这些已成为现代社会的日用消费品)。在药学领域，它用于维生素糖浆、止咳糖浆、片剂配方等。山梨糖醇也是制造维生素C的原料，并且也可应用于食品、烟草加工、优质纸等。
溶液制备
水凝胶合成的第一步是原材料的混合。原材料是羧甲基纤维素钠(CMCNa；聚合物)、柠檬酸(交联剂)和山梨糖醇(分子/物理间隔剂)。虽然柠檬酸和山梨糖醇在水溶液中的溶解度是非常高的，但羧甲基纤维素钠也会出现问题。有许多操作可用于加速CMCNa的溶解，以下对这些操作中的一些加以描述。
1.在加入水之前用醇(乙醇、甲醇或异丙醇)使原材料(特别是CMCNa)变湿。此步骤降低在第一混合步骤中的水合率，并且避免凝块形成。当在谷物内形成均匀的溶液(醇与水之间)时，CMCNa开始吸收水并快速溶解。
2.通过快速搅拌利用水使CMCNa变湿，以避免形成凝块。向水中加入少量醋酸可以提高纤维素溶解速率(将25ml冰醋酸加入100ml纯化水中，获得3.74的pH值)。
3.将罐保持在10℃并不断混合，能够使CMCNa快速溶解
利用上述工艺1与4的组合(不使用醋酸)来完全溶解CMCNa仅需几小时(通常约6小时)。
溶液干燥法
将在前面阶段制备的溶液干燥进入湿膜中。干燥阶段对于控制水凝胶的最终性能来说是重要的。纤维素的交联是借助于与产生作为反应副产物的水的平衡反应而进行。这表示，仅当材料中的湿度小于某个值时反应才发生。出于此原因，将最初的溶液倒入平底的容器中以形成薄膜。薄膜厚度是用于水蒸发速率和材料交联动力学的调整控制的另一个重要参数。干燥温度应低于45℃，水冷凝器(清除来自干燥室的湿气)有助于加速该步骤。
交联阶段
当材料温度升高至高于柠檬酸内酯形成的温度(约60℃)时，发生薄膜交联反应。重要参数是：薄膜厚度、材料和空气湿度、时间和温度。
清洗阶段
清洗阶段连同材料干燥是该方法的重要部分。术语“清洗”通常是指从材料中除去杂质的操作，但在水凝胶的情况下它表示不同的含义。实际上，在此阶段可控制水凝胶的最终性能。当把交联水凝胶置于水溶液中时，它开始发生溶胀，直至与周围溶液达到平衡。水凝胶网络能够释放所有未反应的起始材料。由于这个原因，清洗介质应更换数次(约3次)。在水与醇(乙醇或甲醇)的混合物中清洗水凝胶可使清洗阶段加快并且明显降低所需溶剂的量。这会明显影响生产线上的安全管理成本。
干燥阶段
干燥阶段显著影响水凝胶的最终性能(产率和溶胀率)。可以采用许多干燥方法。一种方法是借助于在用于水凝胶网络的非溶剂(例如丙酮)中的相反转操作的水提取。几项研究证实在具有增加的溶胀性能的水凝胶的制造中，相反转法也许是最合适的。另一方面，此方法在与安全控制程序有关的操作成本方面的效率较低。采用水蒸发法的成本较低，但是一般来说材料的最终溶胀能力较低。这个不同的行为归因于与不同微孔率相关的不同毛细管水分保持效应，在相反转的情况下微孔率较高且是相互连接的(海绵状材料)，而采用空气干燥法的微孔率则低很多(疏松材料)。
第三种可能性是用水与甲醇的混合物对交联膜进行部分清洗，接着在丙酮中利用相反转进行干燥。此操作具有双重优点：获得高性能水凝胶(溶胀能力方面)、以及由于进行干燥的部分溶胀水凝胶的较低体积所导致的低加工成本。
实施例5-15 水凝胶的制造
以下的实施例5～15是针对几组水凝胶，其中在起始CMCNa浓度、山梨糖醇浓度、交联时间、清洗和干燥步骤的一个或多个方面上是不同的。各实施例中的合成是指相同的合成，其中仅改变交联时间。
实施例5
A：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行60分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在模拟胃液(SGF)中的溶胀率＝33.16
30分钟后在SGF中的溶胀率＝30.46
60分钟后在SGF中的溶胀＝49.38
120分钟后在SGF中的溶胀率＝33.98
B：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝32.38
30分钟后在SGF中的溶胀率＝29.5
60分钟后在SGF中的溶胀率＝28.4
120分钟后在SGF中的溶胀率＝26.2
C：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行120分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝23.14
30分钟后在SGF中的溶胀率＝24.46
60分钟后在SGF中的溶胀率＝18.94
120分钟后在SGF中的溶胀率＝17.7
D：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝24.54
30分钟后在SGF中的溶胀率＝23.22
60分钟后在SGF中的溶胀率＝26.16
120分钟后在SGF中的溶胀率＝23.06
讨论
可以观察到，通过增加交联时间因而增加交联程度，可减小平均溶胀率，正如所预计的。值得注意的是，当交联温度从100℃(在真空下)降至80℃(在大气中)时，在不同时间(60、90、120、150分钟)交联的各样品中溶胀能力差异的灵敏度略有变化。应当注意的是，在此实施例中将自来水用于合成和清洗所有水凝胶样品。自来水清洗一般会降低最终产物的溶胀能力约20％，可以使用去离子水来完成相同的合成以在最终产物的溶胀能力方面获得更好的性能。
实施例6
A：3％CMCNa；9％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行60分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝60.1
30分钟后在SGF中的溶胀率＝63.8
60分钟后在SGF中的溶胀率＝71.42
120分钟后在SGF中的溶胀率＝65.26
B：3％CMCNa；9％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝73.5
30分钟后在SGF中的溶胀率＝81.62
60分钟后在SGF中的溶胀率＝64.6
120分钟后在SGF中的溶胀率＝63.14
C：3％CMCNa；9％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃下(环境压力)进行120分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝47.86
30分钟后在SGF中的溶胀率＝42.14
60分钟后在SGF中的溶胀率＝49.5
120分钟后在SGF中的溶胀率＝42.58
D：3％CMCNa；9％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝53.32
30分钟后在SGF中的溶胀率＝63.96
60分钟后在SGF中的溶胀率＝61.28
120分钟后在SGF中的溶胀率＝68.88
讨论
除了间隔剂(山梨糖醇)的使用量从CMCNa(9％)量的2倍增加到3倍外，此实施例中的合成与实施例5中的合成相同。对于所有交联时间的所有样品来说，观察到溶胀能力的增加，因此证实在化学稳定期间聚合物链之间平均距离的增加，可降低对大分子网络溶胀的弹性(熵的)响应。由交联60和90分钟的样品获得溶胀能力方面的最佳结果。样品8虽然显示略微较低的溶胀能力，但是它似乎在模拟胃液中放置长时间(120分钟)后非常稳定，总是及时增加其溶胀能力。流变性能似乎良好，未观察到凝胶渗漏。
实施例7
A：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃下(环境压力)进行90分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝98.3
30分钟后在SGF中的溶胀率＝98.68
60分钟后在模SGF中的溶胀率＝109.46
120分钟后在SGF中的溶胀率＝91.42
B：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行120分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝55.5
30分钟后在SGF中的溶胀率＝64.42
60分钟后在SGF中的溶胀率＝70.12
120分钟后在SGF中的溶胀率＝92.94
C：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
干燥失重＝7～10％
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在模拟胃液中的溶胀率＝47.14
30分钟后在模拟胃液中的溶胀率＝55.84
60分钟后在模拟胃液中的溶胀率＝59.84
120分钟后在模拟胃液中的溶胀率＝60.9
讨论
此实施例的合成中的特征是提高间隔剂浓度(12％山梨糖醇)。已确定最终产物的溶胀能力对混合物反应中的间隔剂浓度有明显的敏感性。样品A(交联90分钟)显示最佳性能，60分钟后在SGF中的溶胀率几乎上升到109。将交联时间进一步增加到120和150分钟，则明显降低最终产品的溶胀能力，因此与实施例5和实施例6相比，此实施例合成的最终产品的溶胀能力对交联时间有更强的敏感性。
实施例8
A：6％CMCNa；12％山梨糖醇；0.3％柠檬酸(5％w/w CMCNa)+冰醋酸25ml/100ml水(pH＝3.76)
在80℃(环境压力)下进行60分钟交联
在自来水(700毫升)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝62.4
30分钟后在SGF中的溶胀率＝61.74
60分钟后在SGF中的溶胀率＝72.92
120分钟后在SGF中的溶胀率＝65.58
B：6％CMCNa；12％山梨糖醇；0.3％柠檬酸(5％w/w CMCNa)+冰醋酸25ml/100ml水(pH＝3.76)
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝52.62
30分钟后在SGF中的溶胀率＝56.70
60分钟后在SGF中的溶胀率＝59.9
120分钟后在SGF中的溶胀率＝55.54
C：6％CMCNa；12％山梨糖醇；0.3％柠檬酸(5％w/w CMCNa)+冰醋酸25ml/100ml水(pH＝3.76)
在80℃(环境压力)下进行120分钟交联
在自来水(700ml)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝31.16
30分钟后在SGF中的溶胀率＝37.96
60分钟后在SGF中的溶胀率＝39.72
120分钟后在SGF中的溶胀率＝35.54
D：6％CMCNa；12％山梨糖醇；0.3％柠檬酸(5％w/w CMCNa)+冰醋酸25ml/100ml水(pH＝3.76)
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在丙酮中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝26.42
30分钟后在SGF中的溶胀率＝30.26
60分钟后在SGF中的溶胀率＝27.1
120分钟后在SGF中的溶胀率＝25.32
讨论
将醋酸加入此实施例的合成的起始反应混合物中，将溶液的pH值调整为3.76并且更好地溶解较高浓度的聚合物(6％纤维素)。对于所有样品来说，此合成中所使用山梨糖醇的量一直是CMCNa(12％)的两倍，柠檬酸浓度一直是CMCNa的5％。
第一相关的结果是不仅易于实现CMCNa的完全溶解而且获得稳定的交联网络。此外，材料的溶胀率较为显著，交联60分钟并在模拟胃液中保持60分钟的样品溶胀率的最大值为73。当然，在增加交联时间的同时溶胀率降低；该降低似乎是相当平稳的，因此对交联时间变化并不显示高敏感性。
实施例9
A：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行60分钟交联
15分钟后在SGF中的溶胀率＝22.66
30分钟后在SGF中的溶胀率＝22.08
60分钟后在SGF中的溶胀率＝22.56
120分钟后在SGF中的溶胀率＝20.74
B：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
15分钟后在SGF中的溶胀率＝17.3(±5％)
30分钟后在SGF中的溶胀率＝16.38(±5％)
60分钟后在SGF中的溶胀率＝16.76(±5％)
120分钟后在SGF中的溶胀率＝15.8(±5％)
C：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行120分钟交联
15分钟后在SGF中的溶胀率＝13.06
30分钟后在SGF中的溶胀率＝13.4
60分钟后在SGF中的溶胀率＝14.26
120分钟后在SGF中的溶胀率＝12.94
D：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
15分钟后在SGF中的溶胀率＝12.74
30分钟后在SGF中的溶胀率＝13.26
60分钟后在SGF中的溶胀率＝13.8
120分钟后在SGF中的溶胀率＝13.02
讨论
为了对将水洗和丙酮干燥阶段都去除的情况进行评价，已用与实施例5相同的组成制备实施例9的样品，但是排除了这两个阶段。因此，以不同的时间使样品交联，并且将所形成干粉直接用于溶胀研究。但结果并不好，在最佳的情况下溶胀率不超过22。这提示，清洗和丙酮干燥中的至少一个或两个阶段对获得具有期望溶胀性能的产品是必需的。其原因最有可能是以下效果的组合，包括：微观结构(从连接的微孔到疏松材料)、存在未反应的杂质(也可以具有其它副作用：由于固态反应而增加存储期间的交联)等。
实施例10
A：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行60分钟交联
在自来水(700s)中清洗过夜
在45℃空气中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝43.52
30分钟后在SGF中的溶胀率＝41.44
60分钟后在SGF中的溶胀率＝59.06
120分钟后在SGF中的溶胀率＝58.36
B：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在自来水(700s)中清洗过夜
在45℃空气中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝57.45
30分钟后在SGF中的溶胀率＝45.72
60分钟后在SGF中的溶胀率＝50.7
120分钟后在SGF中的溶胀率＝55.86
C：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行120分钟交联
在自来水(700ms)中清洗过夜
在45℃空气中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝51.94(±5％)
30分钟后在SGF中的溶胀率＝74.4(±5％)
60分钟后在SGF中的溶胀率＝74.76(±5％)
120分钟后在SGF中的溶胀率＝85.9(±5％)
D：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在自来水(700s)中清洗过夜
在45℃空气中干燥
15分钟后在SGF中的溶胀率＝91.5
30分钟后在SGF中的溶胀率＝96.54
60分钟后在SGF中的溶胀率＝98.24
120分钟后在SGF中的溶胀率＝95.98
讨论
制备该实施例的样品的目的是评估仅去除丙酮干燥阶段的情况，因为丙酮干燥阶段在成本和与制造有关的安全问题方面是最昂贵的。再次以与实施例5相同的组成和相同的操作来制备样品，但是去除了干燥阶段的操作。在交联后将样品在水中清洗，在45℃空气中进行脱水。结果似乎非常让人感兴趣。实际上，溶胀能力令人惊讶地高，实施例23(仍然仅使用自来水进行清洗并且仅使用相对于CMCNa的山梨糖醇浓度加倍)的最大溶胀率高于90。此外，值得注意的是，空气干燥步骤将使整个工艺增加与加热和除去湿气有关的能量成本，这在丙酮干燥中是不存在的，已被相反转的热力学所代替。在包括控制干燥最终产物中的溶剂痕量在内的所涉及的相关成本和安全程序方面，能量消耗的额外成本低于丙酮处理的额外成本。
实施例11
A：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在甲醇/蒸馏水(70％/30％)中清洗3次(约24小时)
在45℃的烘箱中干燥过夜
15分钟后在SGF中的溶胀率＝19.12
30分钟后在SGF中的溶胀率＝23.96
60分钟后在SGF中的溶胀率＝23.12
120分钟后在SGF中的溶胀率＝24.30
B：3％CMCNa；6％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在甲醇/蒸馏水(70％/30％)中清洗3次(约24小时)
在45℃的烘箱中干燥过夜
15分钟后在SGF中的溶胀率＝21.06
30分钟后在SGF中的溶胀率＝20.28
60分钟后在SGF中的溶胀率＝19.09
120分钟后在SGF中的溶胀率＝21.76
讨论
此实施例中获得的样品是在无丙酮干燥的情况下合成的。为了显著降低清洗阶段所使用水的体积并且在最后干燥阶段前仍然纯化材料，在清洗阶段也将甲醇加入到水中。发现在SGF中的溶胀能力相当低。然而，这可以通过改变混合物的组成加以改进。相关问题是获得具有良好机械性能和稳定网络构造的水凝胶。
实施例12
A：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在甲醇/蒸馏水(70％/30％)中清洗3次(约24小时)
在45℃的烘箱中干燥过夜
15分钟后在SGF中的溶胀率＝24.02
30分钟后在SGF中的溶胀率＝24.70
60分钟后在SGF中的溶胀率＝24.11
120分钟后在SGF中的溶胀率＝25.73
B：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在甲醇/蒸馏水(70％/30％)中清洗3次(约24小时)
在45℃的烘箱中干燥过夜
15分钟后在SGF中的溶胀率＝22.80
30分钟后在SGF中的溶胀率＝27.10
60分钟后在SGF中的溶胀率＝26.50
120分钟后在SGF中的溶胀率＝28.11
讨论
用与实施例11中相同的操作获得此实施例的这些样品，但增加间隔剂的浓度。观察到溶胀能力有轻微增加。
实施例13
A：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在甲醇/蒸馏水(70％/30％)中清洗3次(约24小时)
在100％丙酮中干燥/清洗2次，然后在烘箱(45℃)中干燥3小时以完全除去丙酮。
15分钟后在SGF中的溶胀率＝75.38
30分钟后在SGF中的溶胀率＝76.67
60分钟后在SGF中的溶胀率＝124.20
120分钟后在SGF中的溶胀率＝138.60
B：3％CMCNa；12％山梨糖醇；0.15％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行150分钟交联
在甲醇/蒸馏水(70％/30％)中清洗3次(约24小时)
在100％丙酮中干燥/清洗2次，然后在烘箱中(45℃)干燥3小时以完全除去丙酮。
15分钟后在SGF中的溶胀率＝61.73
30分钟后在SGF中的溶胀率＝80.47
60分钟后在SGF中的溶胀率＝99.86
120分钟后在SGF中的溶胀率＝116.45
讨论
这里，在甲醇-水混合物中进行清洗阶段。清洗后，无需在水中的任何清洗阶段而直接在丙酮中对材料进行脱水。因为材料在丙酮干燥步骤前处于部分溶胀状态，所以干燥所需的丙酮体积较低，并且与安全问题和工艺管理有关的成本较低。相应地，在最终溶胀能力方面的产品性能是优异的。
实施例14
3％CMCNa；6％山梨糖醇；0％柠檬酸
将25ml醋酸溶解于100ml水(pH值≈3.74)
在80℃(环境压力)下进行30、60、90或150分钟交联
在蒸馏水中清洗3次(约24小时)
在15分钟时的溶胀率＝na
在30分钟时的溶胀率＝na
在60分钟时的溶胀率＝na
在120分钟时的溶胀率＝na
(na＝不溶胀)
讨论
此样品是在不使用柠檬酸的情况下合成的，进行此合成的目的是证明没有交联剂无法实现交联。此假设是通过以下事实来证明：当干燥后浸泡于水中时材料溶解。
实施例15
A：6％CMCNa；18％山梨糖醇；0.3％柠檬酸(5％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行90分钟交联
在自来水中清洗，接着在丙酮中脱水，最后在45℃空气中干燥
30分钟后在SGF/水(1/8)中的溶胀率＝94
60分钟后在SGF/水(1/8)中的溶胀率＝98
SGF/水(1/8)中的1％CMC/CA在10rad/sec下的弹性模量＝1238Pa
SGF/水(1/8)中的1％CMC/CA在0.5S-1下的粘度＝68
B：6％CMCNa；18％山梨糖醇；0.06％柠檬酸(1％w/w CMCNa)
在80℃(环境压力)下进行18小时交联
在自来水中清洗，接着在丙酮中脱水，最后在45℃空气中干燥
30分钟后在SGF/水(1/8)中的溶胀率＝100
60分钟后在SGF/水(1/8)中的溶胀率＝105
SGF/水(1/8)中的1％CMC/CA在10rad/sec下的弹性模量＝1300Pa
SGF/水(1/8)中的1％CMC/CA在0.5S-1下的粘度＝140
实施例16 可食用聚合物水凝胶的稳定性试验
在高温和室温下、将利用实施例15B的方法制备的可食用聚合物水凝胶的样品置于密闭瓶中。对于各实施例，在预定的时间点对水凝胶在SGF：水(1∶8)中的溶胀进行测定。以下所示的结果表明，可食用聚合物水凝胶在室温和高温下是稳定的。
在25℃下6天-在SGF/水(1/8)的溶胀＝102
在25℃下12天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝107
在25℃下20天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝104
在25℃下25天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝99
在70℃下3天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝87
在70℃下6天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝75
在70℃下10天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝82
在70℃下20天-在SGF/水(1/8)中的溶胀＝81
在70℃下25天-在SGF/水(1/8)中的溶胀率＝79
实施例17-23 改良食物和食品
本发明涵盖优选地能够提供饱腹感和/或提供美国农业部所列出的维生素和矿物质的推荐日允许量的一部分的食物和食品。这些食物各自含有用柠檬酸交联的羧甲基纤维素(“CMC/CA水凝胶”)。
通过给出下面列出的五组中的食品的实施例来说明本发明的不同用途。
意大利面
食物棒
热和冷的谷类
面包和蛋糕
饮料
在一种类型食品的制备中，食品中的可食用聚合物水凝胶在食物制备(例如，意大利面、酸奶、甜点、饮料)期间或者在胃/胃肠道(食物棒、玉米片)中均溶胀。在第二类型食品的制备中，在食品加工(面条、面包)过程中形成水凝胶。
实施例17 改良营养食物棒
本发明的此部分提供一种营养点心，能够提供饱腹感并且包括美国农业部列出的所有维生素和矿物质的推荐日允许量的一部分。
营养棒包含在胃中不降解的可食用聚合物水凝胶。当可食用聚合物水凝胶在胃中溶胀时，由于力学的原因它提供额外的饱腹感。在摄取并与胃液或胃液与水的混合物接触后，可食用聚合物水凝胶将发生溶胀。因此，水凝胶占据的胃体积可以明显大于由受试者摄入的可食用聚合物水凝胶的体积。本发明的可食用聚合物水凝胶也可以通过从胃移动入小肠并发生溶胀而占据体积和/或对小肠壁施加压力。
A.富含蛋白质的棒
成分：
2杯 即食燕麦
1.5杯无脂奶粉
7g可食用聚合物水凝胶(如实施例10D中制备)
4勺低碳水化合物巧克力或香草精蛋白粉
1杯无糖枫叶糖浆
2个蛋白，搅打过的
1/4杯橙汁
1茶匙香草精(vanilla)
1/4c.天然苹果酱
1.将烤箱预加热至325℉，用不粘的喷雾器对烘烤板或9×12烘烤平锅进行喷雾。
2.在碗中混合燕麦、奶粉和蛋白粉，并充分搅拌。
3.在单独的碗中，将蛋白、橙汁、苹果酱和无糖糖浆混合并充分搅拌。
4.将液体混合物搅拌到干成分中直至共混。浓度将较变稠并与饼干面团相似。
5.加入可食用聚合物水凝胶，匀浆化5分钟。
6.将面糊在盘上铺开，烘烤至边缘卷曲且变成褐色。
7.切成10块，储存在气密的容器中或者冷冻。
B.瘦身棒(Lean Bar)
成分：
1杯杏仁或花生酱
3/4杯蜂蜜
1/2茶匙香草精提取物
1/4茶匙肉桂
2杯老式燕麦片
1杯烤杏仁薄片
5g可食用聚合物水凝胶(如实施例10D中所制备)
1/4至1/2杯葡萄干或其它干果
1.将烤箱预加热至350℉。用油菜籽烹调喷雾器对9平方英寸平锅进行喷雾。
2.将杏仁、黄油、蜂蜜在中-高火加热的重底煮锅中混合。迅速搅拌直至熔融-3至5分钟。
3.在香草精和肉桂中搅拌。
4.加入燕麦、杏仁和葡萄干。
5.加入可食用聚合物水凝胶，混合5分钟。
6.烘焙15分钟。完全冷却，切成9个相同的正方形块。
C.包衣的可食用聚合物水凝胶
1.将100克的实施例10D中所制备的可食用聚合物水凝胶置于Worcester流化床中，将乙酸甘油酯的溶液喷雾至聚合颗粒上，使其干燥。
2.将可食用聚合物水凝胶颗粒(200-600μm)、糖、脱脂奶和酪蛋白酸钠在保持在120℉的3夸脱Hobart混合器中混合。将预加热至约140℉的脂肪加入到干混物中，利用面团臂以低速持续混合15分钟。
D.非烘焙格兰诺拉棒
成分：
1/2c.压紧的红糖
1/2c.玉米糖浆
1c.花生酱
1tsp.香草精
1.5c.快速烹调燕麦片
1.5c.脆米(crisp rice cereal)
10g包衣的可食用聚合物水凝胶(如实施例10D中所制备)，粒径范围为200-1000μm
1c.葡萄干
1/2c.椰子果
1/2c.葵花籽
2汤匙芝麻
1.在中型煮锅中将红糖与玉米糖浆混合。煮沸，不断搅拌。
2.除去加热，在花生酱和香草精中搅拌；充分混合。
3.加入燕麦、谷类、可食用聚合物水凝胶、葡萄干、椰子果、葵花籽和芝麻。充分混合。
4.挤压入未加润滑脂的9平方英寸的平锅上。冷却。切成20块棒。
用玉米糖浆和脂肪对颗粒进行包衣并且不溶胀。一周后在室温下分析该棒，看上去可食用聚合物水凝胶并未发生溶胀。将含有可食用聚合物水凝胶的棒和不含有可食用聚合物水凝胶的棒放入盛水(150mL)的烧杯中。无可食用聚合物水凝胶的棒在1小时后分解，水自由流出。另一方面，含有可食用聚合物水凝胶颗粒的棒分解，可食用聚合物水凝胶颗粒溶胀超过200倍并且水变粘稠。
E.填充草莓的谷类棒
制备草莓馅；
2.5杯粗切碎的带壳草莓
1/2杯糖
2.5大汤匙玉米淀粉
3/4c.软化黄油
1c.压紧的红糖
2c.通用面粉
1/2tsp.小苏打
1.5c.格兰诺拉谷物料
10g包衣的可食用聚合物水凝胶(如实施例10D中所制备)
指导方法
1.在重的小煮锅中将所有成分煮沸，不断搅拌，用匙的背面轻轻压碎草莓。
2.煮2分钟使其变稠；不断搅拌(混合物将略显厚实)。
3.将奶油制的黄油和糖、面粉与苏打搅拌到一起。将格兰诺拉和聚合物加入到加奶油的混合物中；充分混合。
4.将一半放入涂润滑脂和加面粉的13×9×2英寸烘焙平锅中。用馅铺开。
5.将1大汤匙水加入到剩余的碎混合物中；撒在馅上。用手轻压趁热切成棒。
草莓籽掩盖了可食用聚合物水凝胶的粒状口感。
F.具有含可食用聚合物水凝胶的巧克力块的格兰诺拉棒
3g可食用聚合物水凝胶(如实施例10D中所制备)，粒径为200-1000μm
5g巧克力(黑巧克力，Hershey，PA)
使用双层蒸锅在低热下使巧克力熔融，慢慢地将粒径为200-600μm的可食用聚合物水凝胶混入。巧克力中的油脂包覆颗粒并防止溶胀。在形成均匀的混合物后，将含有可食用聚合物水凝胶颗粒的熔融巧克力倒入冷的大理石台面上，形成立方块(2×1×1厘米)。将巧克力立方块在冰箱中放置过夜。次日早晨将立方块切成大小为2-3mm的较小块，制备实施例16D的食物棒。
一周后在室温下对巧克力颗粒进行分析，可食用聚合物水凝胶不发生溶胀。但在粉碎巧克力块并将其放入水中后，可食用聚合物水凝胶溶胀约200倍。
实施例18 包衣的食物棒
将KelloggTMSpecial KTM营养食物棒(Kellogg NA Co.，Battle Creek，MI)粉碎成小块，通过在50℃下加热10分钟使这些块软化。将实施例15B中制备的可食用聚合物水凝胶加入到软化块中(将3克可食用聚合物水凝胶加入到21克食物棒块中)。用手将混合物捏制成棒状。在棒冷却后，将10g棒放入一杯水(200毫升)中。也将10g原来的未变化的棒放入一杯水中。含水凝胶的棒在1分钟内分解，8分钟后吸收所有水而形成半固体凝胶。原来的棒在10分钟后仍然保持完好。
实施例19 改良谷类
玉米片
将未加糖或加糖的玉米片(玉米粉、浓缩水果汁、海盐)与CMC/CA混合，将糖、矿物质、维生素、蛋白质、调味剂和着色剂的溶液喷涂在混合物上，在玉米片上形成包衣，从而使可食用聚合物水凝胶能够粘附在片的表面上。
当将包衣的可食用聚合物水凝胶颗粒置于牛奶中时也由于牛奶中的蛋白质而略微溶胀，但在接触胃液后将进一步溶胀。
格兰诺拉谷物料
将CMC/CA制成颗粒而形成颗粒状或预定形状，如干果形状(如葡萄干、坚果)或者任何其它形状。与糖、蜂蜜、枫叶糖浆和其它半固体甜味剂一起加入CMC/CA颗粒物质中，在徐缓加热下与干谷物簇混合，当冷却至室温时形成而形成簇。
典型的谷物簇(cereal cluster)是由以下制成：全粒小麦、糖、大米、全粒燕麦、玉米糖浆、小麦片、米粉、蜂蜜、盐、红糖糖浆、wheat bit(全小麦面粉、玉米淀粉、玉米面粉、糖、盐、磷酸三钠、小苏打、所加入的色素)、燕麦面粉、天然和人工香料、磷酸三钠、加入的色素、锌和铁(矿物质营养素)、维生素C(抗坏血酸钠)、B维生素(烟酰胺)、维生素B6(盐酸吡哆醇)、维生素B2(核黄素)、维生素B1(硝酸硫胺素)、维生素A(棕榈酸酯)、B维生素(叶酸)、维生素B12、维生素D、脱脂奶、天然杏仁香料、胡桃膳食。维生素E(混合生育酚)和BHT的目的是保持新鲜。
当把所形成的格兰诺拉簇放入牛奶时由于牛奶中的蛋白质而将仅缓慢地溶胀，但在接触胃液后将进一步溶胀。
燕麦片
在食用前将燕麦片与包衣或未包衣的CMC/CA混合。将钢切燕麦在冷水中浸泡数小时，加入盐和枫叶糖浆、肉豆蔻粉、肉桂粉和姜粉。将混合物加热并烹调高达90分钟，向温热的混合物中加入CMC/CA颗粒，使其在加入到奶油、牛奶或额外的水中前发生部分溶胀。
实施例20.改良面条
本发明的此部分描述了由传统意大利面成分和以作为产品含热量的函数而变化的浓度的上述水凝胶所制成的一种新型面条。因为水凝胶在胃中不被吸收，所以其功能仅仅是填充功能。在干燥形式中该填充功能是有限的，在溶胀状态下则更明显。水凝胶将在以下两种场合显示此溶胀状态：第一是在烹调中与液体(主要是水和水溶液)接触时；第二是在胃和小肠(胃液和肠液)中。
对于这种具体用途，与在胶囊中的相同的填充用途相比，最终产物中水凝胶组分的所需溶胀能力是较低的。另外，在此用途中摄入产物的量可以明显较高。水凝胶的流变性能(例如高粘度、高G′模量等)是在制成最终产物期间形成良好味觉和均匀性的关键因素。
意大利面与具有各种形状、尺寸、添加剂类型和浓度(例如粗粒小麦、蔬菜、调味料等)的不同类型面条的制造是最有关联的。该产品可以分类成手工生产(小规模，传统车间和工艺，低压和长生产时间)或者大规模生产(高压，短生产时间)。
以干燥形式制造面条需要适当的设备。该设备包括以下两种部件：1.用于此用途的体积剂量特异性的特定系统；以及2.用于将该步骤所有成分混合的耳蜗浴。将在真空中进行耳蜗浴混合，以制造没有内部空气和气泡的产品。这将形成更致密且透明的产品，更重要地形成具有比传统的混合物更鲜艳颜色的产品。
起始混合物将含有CMCNa和柠檬酸，并且添加有以可以控制的作为最终产物期望含热量的函数的浓度的面粉。不将山梨糖醇加入到起始混合物中，因为面粉自身起分子间隔剂的作用。也可以将其它成分(如蔬菜、香料、橄榄油或者其它食物)加入到起始混合物中。
一旦加入了粗粒小麦面粉，则将琥珀黄色的胶状块(混合物)转移至带可变断面的圆柱体中，对转移入的混合物进行模制。在模制成期望形状(例如意大利式细面条(spaghetti)、意大利干面条(tagliatelle)等)后，下一步是脱水，其中将该产品中的总湿度降至低于12.5％的值(法律所允许的最大湿度)。在已加入其它食物成分的情况下，所形成面团的颜色或湿度根据所加入食物的颜色和湿度而变化。
在整个方法中，脱水步骤是最敏感的部分。它使得产品可以储存更长时间，使材料品质稳定，增加产品的口味特征，并且形成产品各成分之间的平衡，从而获得最佳品质。使用传统烘箱来执行脱水过程。第二种制造面条的方法与上述方法类似，除了在面条制造过程中不直接形成水凝胶，而是按照实施例4～13事先合成水凝胶，然后以可以调整的作为最终产物期望含热量的函数的浓度将水凝胶加入到通常的面条制造步骤中。
以下对与这两种不同方法相关的两个实施例加以描述。
A.在烹调成分期间形成意大利式细面条-水凝胶：
成分：
2份粗粒小麦面粉
1份CMCNa
水(33％CMC-面粉混合物)
柠檬酸(5％CMC-面粉-水混合物)
1.将各成分嵌入挤出机中(不包括水)。
2.在挤出过程的不同阶段缓慢地加入水。
3.将混合物经模具挤出。
4.将挤出物在45℃下进行过夜脱水。
B.在加工期间加入意大利式细面条-水凝胶
成分：
2份CMC/CA水凝胶(由实施例12获得)
1份粗粒小麦面粉
水(初始面粉含量的33％)
1.将面粉嵌入挤出机中。
2.在挤出过程的不同阶段缓慢加入水。
3.在挤出过程的最后部分，加入可食用聚合物水凝胶。
4.将混合物经模具挤出。
5.在45℃下将产品脱水过夜。
实施例21 改良面包
本发明的此步骤描述了一种新型的面包以及两种类型：软面包和意大利面包棒状(grissini-like)面包。这里，工作的概念类似于上述的意大利面和食物棒应用的概念。以不同的浓度将吸收性水凝胶加入到面包产品中，获得能够类似于普通面包的结构和口味的复合结构，但是加入能够一旦在胃中即可发生溶胀的水凝胶。
面包产品中的水凝胶浓度将是作为最终产物期望含热量的函数的变量，并且产生饱腹感效果。视情况，可以加入蔬菜、橄榄油、香料和其它食物，以改进最终产物的口味。
A.软面包
成分：
2份面粉
1份CMC
柠檬酸(5重量％CMC)
钠盐(5重量％面粉)
水(40重量％面粉)
橄榄油(5重量％面粉)
1.在室温条件下将除水以外的所有成分加以混合。
2.一边搅拌一边加入温水(37℃)。
3.将胶状混合物模制成期望的形状。
4.停止混合，在37℃下保持3小时。
5.250℉的烤箱中烹调一段时间，时间长短取决于尺寸(1kg圆柱形状需要约1小时)。
B.面包棒
成分：
400g面粉
20g烘焙粉
1/2茶匙香草精提取物
200ml牛奶(37℃)
2匙橄榄油
1匙盐
1.将面粉、CMC、柠檬酸和盐混合。
2.将面粉和盐放置成一个圆圈。
3.将烘焙粉溶解于牛奶中，将其与橄榄油一起放在圆圈的中部。
4.将所有成分混合，直至获得胶状块。
5.停止混合，将胶状块在37℃下静置40分钟。
6.切割并模制成薄的圆柱状块。
7.将其在200℃烤箱中烹调20分钟。
实施例22 改良饮料
本发明的此部分描述了能够持久地将水和矿物质输送至小肠以延长水合的一种新型饮料。此结果是通过将溶胀的可食用聚合物水凝胶微球加入到饮料中而实现。将可食用聚合物水凝胶饮料一起摄入。一旦在小肠中，在浓度梯度下递送液体和过量的盐并最终随粪便排出。
为了提供此产品，瓶中的水凝胶微球必须保持干燥形式，可以存储在瓶盖下。视情况，向水凝胶微球中加入添加剂(如蛋白质、盐和/或意欲口服施用的分子)。在饮用前一分钟，使盖下面的容器破裂，将可食用聚合物水凝胶释放入液体中，可食用聚合物水凝胶在液体中开始溶胀。添加剂将开始释放，首先在液体团中释放，然后在穿过胃肠道的整个通道中释放)。
储存的可食用聚合物水凝胶的量作为水合反应时间和期望盐和营养素浓度的函数而变化。然而，将存储于瓶中的可食用聚合物水凝胶的最大量进行调整，使得它不能吸收所有的液相。意图使其形成为微珠混悬剂而不是块状凝胶。
此特定应用领域的第二方法包括将饮料用作可食用聚合物水凝胶材料的载体，从而产生填充剂效应。为了到达此目的，利用在水或水溶液中不溶解的蛋白质或大分子薄膜或者其它适当的保护屏蔽层对可食用聚合物水凝胶(干燥形式)进行包衣，因此防止在摄取前水凝胶在液体中发生溶胀。一旦可食用聚合物水凝胶到达胃，则包衣溶解或者被消化，可食用聚合物水凝胶开始溶胀，因此增加存在于胃中的液体的粘度。此外，借助于此包衣保护，可以大量地摄入材料，从而避免吞食大量干凝胶填充胶囊的需要。
A.持久的水合水
成分：
400毫升矿泉水
3克由实施例10D获得的CMC/CA水凝胶
如图1中所示，在瓶盖下的容器中将可食用聚合物水凝胶贮存于不允许水渗透的薄膜中。在饮用前，对瓶盖施加压力使膜破裂，将水凝胶释放入水中(图2)。水凝胶在水中溶胀，形成微珠悬浮于水中的混悬剂。现在，该产品可供食用。
B.饮料中的填充剂
成分：
400ml矿泉水
3g由实施例10D获得的CMC/CA水凝胶
0.25g的Eudragit(丙烯酸树脂)(Degussa公司制造)
将可食用聚合物水凝胶置于流化床上，将Eudragit溶液喷射到可食用聚合物水凝胶颗粒上。然后在将颗粒从流化床中移出前让其变干。
如图3中所示，在使用前以干燥形式将包衣的可食用聚合物水凝胶存储在瓶盖下。在即将使用前，将水凝胶释放在液体中，直至将液体摄入并到达胃，仍停留在干混悬剂中。一旦到达胃，包衣便消失并且水凝胶不发生溶胀。借助于此技术，可以在不给患者带来任何问题的情况下摄入大量的干材料。
C.蛋白奶昔
将用蛋白质和/或脂肪包衣的CMC/CA颗粒(10-250um)加入到蛋白奶昔(8oz.未加糖的香草精牛奶、1匙蛋白粉、少量柠檬、一大匙酸奶、和草莓、蓝莓、树莓或黑莓)，混合，供食用。
含有CMC/CA颗粒的奶昔在胃中转变为半固体，因此与普通蛋白奶昔相比将在胃中停留的时段较长并且将增加饱腹感。
实施例23改良蛋糕和糕点
本发明的此部分描述了能够提供持久的饱腹感且具有低热量同时保留蛋糕样外观和口味的新型蛋糕。此部分包括蛋糕和特定类型的冰淇淋：ghiaccioli(水果冰淇淋)。
对于蛋糕制作，将以部分或完全溶胀状态使用上述高吸水性水凝胶，并且可以加入香料或着色剂。
A.改良卡诺里(Cannoli，奶油甜馅煎饼卷)
成分：
500g面粉00；
2个蛋黄；
25g酒精
20g牛羊脂(脂肪)
红葡萄酒
CMC/CA水凝胶(实施例15A)
着色剂
柠檬香料
(1)卡诺里壳：
(a)将面粉放入大腕中；将蛋黄、醇和葡萄酒加入到面粉的中间，搅拌至整个面团具有较强的粘度。
(b)用碗盖住此面团达半小时。
(c)滚压面团而形成薄片(厚度为2/3mm)，切成圆形块(直径为10cm)。
(d)将圆形薄片缠绕在圆柱状模具的周围，并在平锅中于牛羊脂中油煎。
(e)在块油炸后，让其冷却，然后除去模具。
(2)卡诺里馅：
(a)将干水凝胶粉浸泡在含柠檬调味料和着色剂的水溶液中。水凝胶吸收溶液，从玻璃状的干燥状态转变为凝胶状的溶胀状态。
(b)将溶胀的水凝胶嵌入外面的圆柱形部分并且冷却。
B.巧克力海绵蛋糕1
成分：
4个全鸡蛋
1杯砂糖
1.5大汤匙熔融的人造黄油，
1/4杯经筛滤的可可粉
4大汤匙沸水
11/8茶匙自然发酵面粉
1/3杯高玉米
Figure BPA00001406361600881
260抗性淀粉
制备：
1.将烤箱预加热至350℉。
2.轻轻地在9英寸蛋糕平锅上涂上油脂，用蜡纸给盘底装上衬里。
3.同电动搅拌器将鸡蛋搅打至蓬松状，然后逐渐地加入糖并搅打15分钟。
4.将黄油、可可粉和沸水混合，包入鸡蛋混合物中。
5.对面粉进行筛滤，然后再次筛滤到鸡蛋混合物上。
6.加入高玉米抗性淀粉，并且轻轻将其混合到一起。
7.用汤匙将混合物倒入准备好的蛋糕平锅中。
8.烘焙约50分钟，或者直至刚刚触觉较硬。
9.冷却。
蛋糕味香且致密。
C.巧克力海绵蛋糕2
成分：
4个全鸡蛋
1杯砂糖
1 1/2大汤匙熔融的人造黄油
1/4杯经筛滤的可可粉
4大汤匙沸水
1 1/8茶匙自然发酵面粉
1/6杯高玉米
Figure BPA00001406361600891
260抗性淀粉
1大汤匙CMC/CA水凝胶(实施例15A)
制备：
1.将烤箱预加热至350℉。
2.轻轻地在9英寸蛋糕平锅涂上油脂，用蜡纸给盘底装上衬里。
3.用电动搅拌器将鸡蛋搅打至蓬松状，然后逐步加入糖，并搅打15分钟。
4.将黄油、可可粉和沸水混合，包入鸡蛋混合物中。
5.对面粉进行筛滤，然后再次将面粉筛滤在鸡蛋混合物上。
6.在1/6杯温水中使与柠檬酸聚合物交联的羧甲基纤维素发生溶胀。
7.加入高玉米抗性淀粉并轻轻地混合。
8.将高玉米抗性淀粉/与柠檬酸聚合物交联的羧甲基纤维素缓慢地与上述成分混合。
9.用勺子将混合物转移入准备好的蛋糕烤盘中。
10.烘焙约50分钟、或者直至刚刚触觉较硬。
11.冷却。
巧克力蛋糕可口且具有良好质地。
D.冷冻甜食
成分：
CMC/CA水凝胶
着色剂；
调味料
将干水凝胶粉放入装有含调味料和着色剂的水溶液的碗中。水凝胶吸收溶液，从玻璃状的干燥状态转变为凝胶状的溶胀状态。将溶胀的水凝胶倒入模子中，将模子放入温度在-4至-10℃之间的冰箱中。将产品从模具中移除并加以冷冻。
当达到室温时该冷冻甜食将不滴水，因为水凝胶将束缚住水。
实施例24.CMC/CA水凝胶与普通食物纤维之间的比较
用实施例15B中详细描述的方法制造CMC/CA水凝胶(6％CMCNa；18％山梨糖醇；0.06％柠檬酸，在80℃下进行210分钟交联，环境压力)。利用标准方法将此水凝胶的流变性能与洋车前草、瓜尔胶和葡甘露聚糖的流变性能进行比较。
图4显示，与食物纤维：洋车前草、瓜尔胶和葡甘露聚糖相比，溶胀的超吸收性水凝胶在SGF(和SIF；数据未显示)中产生显著较高的粘度。
图5和图6描述了在SGF中的浓度效应，其中水凝胶对粘度具有显著的作用(不同于食物纤维)，甚至在低浓度下(在SIF中获得相似的数据-数据未显示)。这是显著的，因为商品纤维由于其胃肠道副反应而限制了其食入，将其每日剂量限制在约10g(是饱胃的1％)而在相似的浓度下水凝胶却具有可观的粘度。
可食用聚合物水凝胶的粘度增加外加弹性的增加，将由于机械伸缩而产生饱腹感，减慢胃排空速率、减慢葡萄糖和脂肪吸收速率，并且将增加饱腹感，减少食物摄取，并且将导致更好的体重管理和血糖控制。
实施例25 CMC/CA和葡甘露聚糖在水中的流变测定法
在蒸馏水中对2种类型的CMC/CA(较短交联时间15小时的CMC/CA-A005和较长交联时间36小时的CMC/CA-A001)及葡甘露聚糖的流变测定法(G′和G″)进行测定。
利用与实施例15B相似的方法制备CMC/CA水凝胶。
Figure BPA00001406361600911
结果表明，也是在标准条件(在水中)下且在相似的浓度下，CMC/CA的流变学优于葡甘露聚糖。
实施例26-29体内研究
各实施例中的所有动物研究分别获得动物保护和使用管理委员会(IACUC)和动物保护委员会的批准。将以下研究中所采用的操作设计成符合接受的规程，并且减小或避免动物感到疼痛、痛苦或不适。在所需的研究操作可能会引起不只是短暂或轻微疼痛或痛苦的情况下，让动物接受适当的镇痛药或麻醉药，除非研究项目负责人已书面说明阻止使用这些药剂并且获得动物保护和使用管理委员会(IACUC)认可。
实施例26 在不同组的大鼠中施用SAP的大鼠的食物摄取的下降
制备CMC/CA水凝胶，实验条件与实施例2中概述的实验条件相同。然而，与实施例1不同之处是使用3个不同组的大鼠。为了促进动物的体重增加，给第一组大鼠提供高脂饮食(例如，饲料的20重量％是脂肪)。第二组由较年老动物组成，这些动物也会随时间而增重。第三组由与第一组年龄匹配的大鼠组成，与第二组相比年龄较小，但是给予正常饮食。
正如在第二实施例中所观察到的，在受试者内设计中，与水对照相比CMC/CA水凝胶导致食物摄取显著下降。
实施例27 在施用CMC/CA水凝胶后大鼠食物摄取的下降
在水凝胶或媒介物施用前(使水凝胶在水中预溶胀，100mg在10mL水中)，将总共21只雄性Sprague-Dawley大鼠随机分入两个体重匹配的组(10～11只/组)。将体重约为400克的大鼠放置在标准笼具中，给予大鼠饲料的标准饮食。将动物保持在12小时的光照/黑暗循环中。在关灯前4小时，将食物从大鼠移除(图7)。在对大鼠进行实验处理的期间内，在关灯前，用在喂饲前已在水中溶胀的水凝胶或相似体积的水(例如，使用8毫升聚合物或8毫升水)对动物进行口服喂饲。三天后，在经典的受试者内设计中，给接受水的动物服用聚合物，反之亦然。在给予后，每5分钟对食物和水的摄入(数字天平)以及自发活动(连续珠制动)进行一次在线监测，持续40小时。利用MaNi FeedWin收集食物和水的摄入数据，MaNiFeedWin是使用数字称重单元的在线计算机化饲养系统。对两种类型的基线食物摄取(数字天平)和舔食计数进行监测。将所有数据输入Excel电子表格，接着进行相关的统计分析。除非另有说明，否则图6中的结果表示平均值±SEM。利用单因素方差分析或双因素方差分析(ANOVA)进行数据的统计评价。
图8给出典型的研究结果。对累积食物摄取随时间进行作图。在基线(时间＝0)处，各组间没有差异。8ml水凝胶的喂饲导致食物摄取的显著下降。如图所示，水凝胶在18小时内引起食物摄取显著下降。这些数据提示施用水凝胶由于胃填充效果、较慢的胃排空速度和小肠效应而减少了食物摄取，所有这些复合的效果可以在比单独的胃填充物更长的时段内引起哺乳动物中的饱腹感。此外，根据以前的实验(实施例20)，我们注意到大鼠的胃在60～120分钟后排空(例如，也参见Tomlin等人.其中报道半排空时间小于20分钟；Tomlin.J.等人Gut.1993，34(9)：1177-1181)。利用减慢的胃排空速度和由聚合物在小肠中的再次溶胀所引起的饱腹感，而实现延长的效果。
实施例28 不同组的大鼠中施用CMC/CA水凝胶后大鼠食物摄取量的下 降
制备CMC/CA水凝胶，实验条件与实施例26中概述的实验条件相同。然而，与实施例26不同之处是使用3个不同组的大鼠。在此实验中使用3个不同组的大鼠。为了促进动物的体重增加，给第一组的大鼠提供高脂饮食(例如，饲料的20重量％是脂肪)。第二组由较年老动物组成，这些动物也随时间推移而增重。由与第一组年龄匹配的大鼠组成的第三组的年龄比第二组小，但是给予第三组正常饮食。
在受试者内设计中，与水对照相比，CMC/CA水凝胶引起食物摄取量显著下降。
实施例29 CMC/CA水凝胶对能量消耗、尿产生和粪便产生的急性作用
通过对能量消耗、尿产生和粪便产生的同时检查来评价水凝胶的行为特异性。该研究是在雄性Sprague-Dawley大鼠中通过亚慢性口服施用水凝胶(10毫升，通过管饲法，每天一次)而实施。
亚慢性施用水凝胶4天并不影响尿或粪便的产生、或者粪便中水含量的百分比。这些数据表明所施用的水凝胶在胃肠道中被降解，并且不是完整地被排出。
这些大鼠食用较少的食物(图8)。此结果表明在经过充分的时间段后施用这些水凝胶应该导致体重减轻。
实施例30 CMC/CA水凝胶胃肠道传输的体外建模
图9图示说明了在实验室体外试验中观察到的溶胀-塌陷-再溶胀-降解循环。所使用的聚合物是CMC/CA水凝胶。
通过将2.0g氯化钠、3.2g胃蛋白酶和7.0ml浓HCl(37％)溶解于蒸馏水来制备模拟胃液(SGF)，从而获得总体积为1升的溶液(USP试验液法)。
分别将上述SGF溶液与水以SGF∶水(1∶8)的比例加以混合，用两玻璃杯的水(400mL)来模拟在空胃(50mL胃液)饮入所述材料的人。
通过将190ml的0.2N NaOH、400ml蒸馏水和10g胰酶添加到磷酸氢二钾水溶液来制备模拟肠液(SIF)，将所形成溶液的pH值调整到7.5并加入蒸馏水，而获得总体积为1L的溶液(USP试验液方法)。通过在上述模拟肠液制备法中用果胶酶代替胰酶，来制备模拟结肠液(SCF)。
图9显示水凝胶对环境pH作出反应的的独特性能。水凝胶在胃中发生溶胀，然后响应于胃液分泌而塌陷；塌陷的水凝胶在小肠中再次溶胀且仅在结肠中降解。纤维不发生溶胀(尽管它们影响粘度，见实施例20)同时水凝胶在胃肠道环境中溶胀50至150倍(并且在水中溶胀500至3000倍)。
实施例31 使用CMC/CA水凝胶的人饱腹感研究
为了测量CMC/CA水凝胶的功效而进行人体研究。该试验总共包括97名患者，用盲法将他们分入三个组。在每次进餐时间，给一组施用2克剂量的水凝胶进行研究，同时剩余组给予与水凝胶相同重量、质地和颜色的安慰剂(蔗糖)。
如表9中所示，按照所使用的方法，给三个组中的各组的受试者仅在一日三餐(早餐、中餐或晚餐)中的一餐服用CMC/CA水凝胶，在其它两餐中给予安慰剂。将每餐中服用水凝胶的组示于表9并附上星标。在1周中的3天进行该研究，或者更精确地每四天一次(第1天、第4天、第7天)，以便各组在每次进餐时间接受水凝胶。
表9.研究设计
受试者是健康志愿者(学生、医生、医院内部人员)以及不受严重肥胖症影响的门诊患者。该研究是在意大利进行。一般来说，受试者吃非常少量的早餐和少量的中餐。晚餐是一天中的主餐。
(i)研究设计概要：
(1)97名受试者，平均BMI约为31
(2)CMC/CA水凝胶(2克)
(3)双盲、安慰剂对照、交叉设计。
为了检查试验的结果而进行描述性统计分析。此分析显示，在一些情况下，异常值的存在使结果不真实。为了分离出异常值的影响并且给来自描述性分析的结果带来秩序，而进行推理分析。
特别地，进行线性回归来研究水凝胶相对于安慰剂增加的功效与自变量(如BMI、性别、年龄、肥胖程度、施用时间(早餐、中餐或晚餐)和在各进餐时间前的饥饿程度)之间的相关性。
因此，回归模型采用以下形式：
ΔE＝α+β1BMI+β2GEN+β3ETA′+β4OBE+β5PASTO+β6FAME+ε
其中，
-ΔE＝水凝胶与安慰剂相比增加的功效，被计算为施用水凝胶后10分钟与60分钟后饱腹感的差值，并且与施用安慰剂后饱腹感进行比较；
-α＝模型截距；
-β1BMI＝BMI对增加功效的影响；
-β2GEN＝雌性基因对增加功效的影响。GEN变量是作为“假人”而形成，它假设雄性受试者的值为“0”，雌性受试者的值为“1”；
-β3AGE＝年龄对增加功效的影响：
-β4OBE＝肥胖程度对增加功效的影响；
-β5MEAL＝水凝胶施用时间对增加功效的影响。此变量假定：如果在早餐前施用，该值为“1”，如果在午餐前施用，该值为“2”，如果在晚餐前施用，值为“3”；
-β6HUNGER＝施用时的饥饿感对增加功效的影响；和
-ε＝该模型未解释的剩余部分。
(ii)结果：
(1)优异的安全特性
(2)基于自我评定调查表(其中每位患者被要求陈述在每次进食前的饥饿感、随后在进食后30分钟和60分钟的饱腹感)，通过视觉模拟评分法(VAS)测量，我们注意到与安慰剂相比，进食后时间饱腹感有统计学显著性增加，增加～16％。
实施例32 弹性模量、粘度和溶胀率的测定
A.弹性模量的测定
利用以下所述方法来测定弹性模量。除非另有说明，否则标准溶胀介质是蒸馏水。溶胀介质也可以是模拟胃液(SGF)水混合物(1∶8)或者模拟肠液(SIF)。
除非另有说明，否则测试聚合材料在介质中的浓度为0.67％。向150ml烧杯中加入300mg测试聚合材料，接着加入溶胀介质(45mL)。用Parafilm膜覆盖烧杯，在室温(25℃)下用磁力搅拌器以高剪切速率(600RPM)将溶液搅拌60分钟。
测试是在室温下借助于平行板(直径为25mm)流变仪(ARES509953791T，Rheometric Scientific，Inc.)进行。为了防止在试验期间材料与板之间发生任何滑动，而将磨砂纸固定在各平板的表面上。
将溶胀的样品放在借助于内径为25毫米的不锈钢环而驱动的流变仪的圆柱形平板之间(然后除去环)。
以1％的应力，在0.1与50rad/s之间的范围内进行扫描测试。
软件(RSI Orchestrator，Rheometric Scigntific Inc.)能够获取来自流变仪转换器的信号并将其存储于PC硬盘中。利用软件通过以下方程式计算出G′和G″：
G ′ ( ω ) = τ 0 γ 0 cos δ
Figure BPA00001406361600982
其中，ω是应用频率，τ0是获得的扭矩，γ0是施加的应力，δ是位移。
B.粘度的测定
利用下述方法测定粘度。
除非另有说明，标准溶胀介质是蒸馏水。溶胀介质也可以是模拟胃液(SGF)水混合物1∶8或模拟肠液(SIF)。除非另有说明，否则测试聚合材料在介质中的浓度为0.67％。向150ml烧杯中加入300mg测试聚合材料，接着加入溶胀介质(45mL)。用Parafilm膜覆盖烧杯，在室温(25℃)下用磁力搅拌器以高剪切速率(600RPM)将溶液搅拌60分钟。
用平行板(25mm直径)流变仪(ARES 509953791T，RheometricScientific，Inc.)在室温(25℃)下进行试验。将磨砂纸固定在各板的表面上，从而防止在试验期间材料与板之间的任何滑动。
将溶胀的样品置于借助于内径为25mm的不锈钢环而驱动的流变仪的圆柱状板之间(然后将环去除)。
在0.05％至10％应力的频率扫描范围内进行粘度测定。除非另有说明，否则本文中给出的粘度值是在0.5％应力下测定的结果。
C.溶胀率的测定
除非另有说明，否则标准溶胀介质是蒸馏水。
溶胀介质也可以是模拟胃液(SGF)-水混合物(1∶8)或者模拟肠液(SIF)。
除非另有说明，否则测试聚合材料在介质中的浓度为0.67％。向150ml烧杯中加入300mg测试聚合材料，接着加入溶胀介质(45ml)。用Parafilm膜覆盖烧杯，在室温(25℃)下用磁力搅拌器以高剪切速率(600RPM)将溶液搅拌60分钟。将烧杯的内容物转移入过滤漏斗中，并施加3分钟约300mBar的真空。
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Claims (91)

1.一种改良食物或食品，其包含可食用聚合物水凝胶。
2.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率为40或以上。
3.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率为80或以上。
4.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述可食用聚合物水凝胶的弹性模量为至少200Pa。
5.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述可食用聚合物水凝胶的粘度为至少15s-1。
6.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述食物或食品包含碳水化合物，并且与相应的常规食物或食品相比，所述可食用聚合物水凝胶代替至少一部分的碳水化合物含量。
7.根据权利要求6所述的改良食物或食品，其中所述食物或食品包含来源于谷物、谷类或淀粉质蔬菜的碳水化合物。
8.一种包含可食用聚合物水凝胶的改良面粉，所述可食用聚合物水凝胶选自通过使亲水聚合物与多元羧酸和可食用聚合物水凝胶交联而形成的可食用聚合物水凝胶。
9.根据权利要求8所述的改良面粉，其中所述面粉是选自小麦面粉、大米面粉、玉米面粉、燕麦面粉、马铃薯面粉、高粱面粉、小米面粉、黑麦面粉、大麦面粉、粗粒小麦面粉、Atta面粉、荞麦面粉、木薯淀粉面粉、糙米面粉、糯米面粉、面条面粉、意大利面面粉、栗子面粉、坚果面粉、鹰嘴豆面粉、豆类面粉、豌豆面粉、斯佩尔特面粉和马铃薯淀粉面粉。
10.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述食物或食品是选自热和冷的谷类、食物棒、烘焙食品、烘焙食品混合配料、用于烘焙食品的面团、意大利面、乳制品、加工肉、饮料、代餐饮料和奶昔。
11.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述食物是湿的或干的宠物食品。
12.根据权利要求1所述的改良食物或食品，其中所述可食用聚合物水凝胶包含与多元羧酸交联的亲水性聚合物。
13.根据权利要求12所述的改良食物或食品，其中所述亲水性聚合物是阴离子聚合物。
14.根据权利要求13所述的改良食物或食品，其中所述阴离子聚合物是羧甲基纤维素，所述多元羧酸是柠檬酸。
15.根据权利要求14所述的改良食物或食品，其中柠檬酸与羧甲基纤维素的重量比为约0.5％至约5％。
16.一种与说明书包装在一起的可食用聚合物水凝胶，其是用于烹调。
17.根据权利要求16所述的可食用聚合物水凝胶，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率大于40。
18.根据权利要求17所述的可食用聚合物水凝胶，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率大于80。
19.根据权利要求16所述的可食用聚合物水凝胶，其中所述可食用聚合物水凝胶的弹性模量为至少200Pa。
20.根据权利要求16所述的可食用聚合物水凝胶，其中所述可食用聚合物水凝胶的粘度为至少15s-1。
21.根据权利要求16所述的可食用聚合物水凝胶，其包含与多元羧酸发生交联的亲水性聚合物。
22.根据权利要求21所述的可食用聚合物水凝胶，其中所述亲水性聚合物是阴离子聚合物。
23.根据权利要求22所述的可食用聚合物水凝胶，其中所述阴离子聚合物是羧甲基纤维素，所述多元羧酸是柠檬酸。
24.根据权利要求23所述的可食用聚合物水凝胶，其中柠檬酸与羧甲基纤维素的重量比为约0.5％至约5％。
25.一种在需要这种治疗的受试者中诱导体重减轻或控制体重的方法，包括给所述受试者口服施用有效量的可食用聚合物水凝胶的步骤，其中所述可食用聚合物水凝胶在受试者的胃、受试者的小肠或在两者中溶胀。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶与食物一起施用于所述受试者或至多在进食前2小时施用于所述受试者。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率大于40。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的弹性模量为至少200Pa。
29.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的粘度为至少15s-1。
30.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在受试者的胃和小肠中均溶胀。
31.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在受试者的小肠而不是在受试者的胃中发生溶胀。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶是与肠溶包衣一起施用。
33.根据权利要求25所述的方法，其中所述受试者是肥胖的、体重超重的或正常体重的。
34.根据权利要求27所述的方法，其中以足以增加胃肠道内容物的粘度和弹性模量并减缓胃排空以及碳水化合物和脂肪在受试者小肠中的吸收的量施用所述可食用聚合物水凝胶。
35.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶包含与多元羧酸发生交联的亲水性聚合物。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述亲水性聚合物是阴离子聚合物。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述阴离子聚合物是羧甲基纤维素，所述多元羧酸是柠檬酸。
38.根据权利要求37所述的方法，其中柠檬酸与羧甲基纤维素的重量比为约0.5％至约5％。
39.根据权利要求25所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶以片剂、胶囊、扁囊剂、咀嚼组合物的形式或者作为食物的组分施用。
40.一种在需要这种治疗的受试者中诱导体重减轻或控制体重的方法，包括给所述受试者口服施用有效量的可食用聚合物水凝胶的步骤，其中在施用后，所述可食用聚合物水凝胶：
i.在受试者的胃中发生溶胀，然后至少部分地塌陷；
ii.在受试者的小肠中再溶胀；以及
iii.在受试者的结肠中至少部分地降解。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在胃中充分地塌陷，以释放至少50％的其液体含量。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率为大于40且弹性模量为至少200Pa。
43.根据权利要求40所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在结肠中充分地降解，以释放至少约70％的其液体含量。
44.根据权利要求40所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶包含与多元羧酸交联的亲水性聚合物。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述亲水性聚合物是阴离子聚合物。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述阴离子聚合物是羧甲基纤维素，所述多元羧酸是柠檬酸。
47.根据权利要求46所述的方法，其中柠檬酸与羧甲基纤维素的重量比为约0.5％至约5％。
48.根据权利要求40所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶以片剂、胶囊、扁囊剂、可咀嚼组合物的形式或者作为食物的组分施用。
49.一种在需要这种治疗的受试者中增强血糖控制的方法，包括给所述受试者口服施用有效量的可食用聚合物水凝胶的步骤，其中所述可食用聚合物水凝胶在受试者的胃、受试者的小肠或者在两者中溶胀。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶与食物一起施用于所述受试者或至多在进食前2小时施用于所述受试者。
51.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率大于40。
52.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的弹性模量为至少200Pa。
53.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的粘度为至少15s-1。
54.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在受试者的胃和小肠中均溶胀。
55.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在受试者的小肠中溶胀但在受试者的胃中不溶胀。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶是与肠溶包衣一起施用。
57.根据权利要求49所述的方法，其中所述受试者是肥胖的、体重超重的或正常体重的。
58.根据权利要求49所述的方法，其中以足以增加胃肠道内容物的粘度和弹性模量并且减缓胃排空以及碳水化合物和脂肪在受试者小肠中的吸收的量施用所述可食用聚合物水凝胶。
59.根据权利要求49所述的方法，其中所述聚合物凝胶包含与多元羧酸交联的亲水性聚合物。
60.根据权利要求59所述的方法，其中所述亲水性聚合物是阴离子聚合物。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述阴离子聚合物是羧甲基纤维素，所述多元羧酸是柠檬酸。
62.根据权利要求61所述的方法，其中柠檬酸与羧甲基纤维素的重量比为约0.5％至约5％。
63.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶以片剂、胶囊、扁囊剂的形式或者作为食物的组分施用。
64.根据权利要求49所述的方法，其中所述受试者患有糖尿病、胰岛素抵抗或者有可能发展成胰岛素抵抗或糖尿病的风险。
65.根据权利要求64所述的方法，其中所述受试者是体重超重的、肥胖的或者患有代谢综合症。
66.根据权利要求49所述的方法，其中以足以增加所述受试者胃肠道内容物的粘度并且减缓胃排空以及碳水化合物和脂肪在受试者小肠中的吸收的量施用所述可食用聚合物水凝胶。
67.根据权利要求49所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶以片剂、胶囊、咀嚼组合物、扁囊剂的形式或者作为食物的组分施用。
68.一种在需要这种治疗的受试者中控制血糖升高的方法，包括给所述受试者口服施用有效量的可食用聚合物水凝胶的步骤，其中在施用后，所述可食用聚合物水凝胶：
i.在受试者的胃中溶胀，然后至少部分地塌陷；
ii.在受试者的小肠中再溶胀；以及
iii.在受试者的结肠中至少部分地降解。
69.根据权利要求68所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在胃中充分地塌陷，以释放至少50％的其液体含量。
70.根据权利要求68所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶在结肠中充分地降解，以释放至少约70％的其液体含量。
71.根据权利要求68所述的方法，其中所述聚合物凝胶包含与多元羧酸交联的亲水性聚合物。
72.根据权利要求68所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶的溶胀率为大于40，弹性模量为至少200Pa，粘度为至少30s-1。
73.根据权利要求71所述的方法，其中所述亲水性聚合物是阴离子聚合物。
74.根据权利要求73所述的方法，其中所述阴离子聚合物是羧甲基纤维素，所述多元羧酸是柠檬酸。
75.根据权利要求74所述的方法，其中柠檬酸与羧甲基纤维素的重量比为约0.5％至约5％。
76.根据权利要求68所述的方法，其中所述可食用聚合物水凝胶以片剂、胶囊、扁囊剂的形式或者作为食物的组分施用。
77.一种饮料，其包含酸以及脱水的阴离子型可食用聚合物水凝胶。
78.根据权利要求77所述的饮料，其中所述酸是柠檬酸、抗坏血酸、琥珀酸、酒石酸、磷酸或磷酸二氢钾。
79.根据权利要求77所述的饮料，其中所述饮料的pH值为4或以下。
80.根据权利要求77所述的饮料，其中所述可食用聚合物水凝胶是用柠檬酸交联的羧甲基纤维素。
81.一种饮料，其包含溶胀的可食用聚合物水凝胶微球。
82.根据权利要求81所述的饮料，其中所述可食用聚合物水凝胶是用柠檬酸交联的羧甲基纤维素。
83.根据权利要求81所述的饮料，其中所述溶胀的可食用聚合物水凝胶微胶囊包含一种或多种蛋白质或盐。
84.一种包含脱水的可食用聚合物水凝胶的颗粒的饮料，其中所述颗粒包裹有防潮层。
85.根据权利要求84所述的饮料，其中所述防潮层包含脂肪、蛋白质或者其组合。
86.一种包含脱水的可食用聚合物水凝胶的颗粒的饮料，其中所述饮料是泡腾剂。
87.根据权利要求86所述的饮料，其中所述饮料是含二氧化碳的。
88.一种包含脱水的可食用聚合物水凝胶的颗粒的组合物，所述脱水的可食用聚合物水凝胶选自通过使亲水性聚合物与多元羧酸和可食用聚合物水凝胶交联而形成的可食用聚合物水凝胶，其中所述颗粒包裹有防潮层。
89.根据权利要求88所述的组合物，其中所述组合物是饮料、蛋白质奶昔、冰淇淋、酸奶、冷冻酸奶、冷冻蛋奶冻或者汤。
90.根据权利要求88所述的组合物，其中所述防潮层包含脂肪、蛋白质、糖或者其组合。
91.一种在需要这种治疗的受试者中改善心血管或肠道健康的方法，包括给所述受试者口服施用有效量的可食用聚合物水凝胶的步骤，所述可食用聚合物水凝胶在结肠中发酵，由此形成短链脂肪酸并降低结肠内容物的pH值。
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